Question

用如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．實(shí)驗(yàn)所用的電源為學(xué)生電源，有輸出電壓為6V、頻率為50Hz的交流電和輸出電壓為6V的直流電兩種．質(zhì)量為0.300kg的重錘從高處由靜止開始下落，重錘上拖著的紙帶打出一系列的點(diǎn)，對(duì)紙帶上的點(diǎn)跡進(jìn)行測(cè)量，即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．（g取9.8m/s²）
下面列舉了該實(shí)驗(yàn)的幾個(gè)操作步驟：
A．按照?qǐng)D示的裝置安裝器件；
B．將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到電源的“直流輸出”上；
C．松開手釋放紙帶，然后接通電源開關(guān)，打出一條紙帶；
D．測(cè)量紙帶上某些點(diǎn)間的距離；
E．根據(jù)測(cè)量的結(jié)果計(jì)算重錘下落過程中減少的重力勢(shì)能是否等于增加的動(dòng)能．
（1）其中沒有必要進(jìn)行的或者操作不當(dāng)?shù)牟襟E，請(qǐng)將其選項(xiàng)對(duì)應(yīng)的字母填在下面的空行內(nèi)，并說明其原因．答：

B：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)該使用交流電，C：應(yīng)該先通電再釋放紙帶

（2）實(shí)驗(yàn)中得到如圖乙所示的紙帶，根據(jù)紙帶可計(jì)算得知，重錘從B點(diǎn)到D點(diǎn)過程中重力勢(shì)能減少量等于

0.271

J，動(dòng)能增加量等于

0.264

J．（結(jié)果保留三位有效數(shù)字）

（3）在驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，重錘減小的重力勢(shì)能總是大于重錘動(dòng)能的增加量，其原因主要是

實(shí)驗(yàn)過程中存在摩擦阻力

．

Answer 1

分析：（1）對(duì)于實(shí)驗(yàn)，我們要從實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)這幾點(diǎn)去搞清楚．
（2）紙帶實(shí)驗(yàn)中，若紙帶勻變速直線運(yùn)動(dòng)，測(cè)得紙帶上的點(diǎn)間距，利用勻變速直線運(yùn)動(dòng)的推論，可計(jì)算出打出某點(diǎn)時(shí)紙帶運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度．從而求出動(dòng)能．根據(jù)功能關(guān)系得重力勢(shì)能減小量等于重力做功的數(shù)值．
（3）重物下落過程中不可避免的受到阻力作用，重力勢(shì)能不可能全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，這是誤差的主要來源．

解答：解：（1）打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用的是交流電源，故B中將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到電源的“直流輸出”上錯(cuò)誤，應(yīng)該使用交流電源；
C、實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)先接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源后釋放重物，由于重物運(yùn)動(dòng)較快，可能會(huì)使打出來的點(diǎn)很少，不利于數(shù)據(jù)的采集和處理．
（2）重力勢(shì)能減小量等于：△E_p=mgh=0.300×9.8×（0.0442+0.0480）J=0.271 J．
在勻變速直線運(yùn)動(dòng)中，時(shí)間中點(diǎn)的瞬時(shí)速度等于該過程中的平均速度，因此有：
vB=

xAC

2T

=

(4.03+4.42)×10-2

2×0.02s

=2.1125m/s
vD=

xCe

2T

=

(4.80+5.18)×10-2

2×0.02s

=2.495m/s
E_kB=

1

2

mv_B²，E_kD=

1

2

mv_D²
△E_k=E_kD-E_kB=

1

2

×0.300×(2.495)2J-

1

2

×0.300×(2.1125)2J=0.264J；
（2）在該實(shí)驗(yàn)中，由于摩擦力、空氣阻力等阻力的存在，重錘減小的重力勢(shì)能總是稍稍大于重錘動(dòng)能的增加量；若重錘減小的重力勢(shì)能總是大于重錘動(dòng)能的增加量，而且比較明顯，就要考慮阻力太大的原因．在該實(shí)驗(yàn)過程的步驟A中，沒有檢查打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的兩個(gè)限位孔是否在同一條豎直線上，導(dǎo)致摩擦力太大，應(yīng)該是導(dǎo)致誤差太大的主要原因．
故答案為：（1）B：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)該使用交流電，C：應(yīng)該先通電再釋放紙帶；（2）0.271J，0.264；（3）實(shí)驗(yàn)過程中存在摩擦阻力．

點(diǎn)評(píng)：要知道重物帶動(dòng)紙帶下落過程中能量轉(zhuǎn)化的過程和能量守恒，熟練應(yīng)用勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律解決實(shí)驗(yàn)問題；重物帶動(dòng)紙帶下落過程中，除了重力還受到阻力，從能量轉(zhuǎn)化的角度，由于阻力做功，重力勢(shì)能減小除了轉(zhuǎn)化給了動(dòng)能還有一部分轉(zhuǎn)化給摩擦產(chǎn)生的內(nèi)能．