Question

3．如圖1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，輸出電壓為6V的交流電和直流電兩種．重錘從高處由靜止開始落下，重錘上拖著的紙帶通過打點(diǎn)計時器打出一系列的點(diǎn)，對紙帶上的點(diǎn)的痕跡進(jìn)行測量，即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．
（1）下面列舉了該實(shí)驗(yàn)的幾個操作步驟：
A．按照圖示的裝置安裝器件；
B．將打點(diǎn)計時器接到電源的直流輸出端上；
C．用天平測量出重錘的質(zhì)量；
D．釋放懸掛紙帶的夾子，同時接通電源開關(guān)打出一條紙帶；
E．測量打出的紙帶上某些點(diǎn)之間的距離；
F．根據(jù)測量的結(jié)果計算重錘下落過程中減少的重力勢能是否等于增加的動能
指出其中沒有必要進(jìn)行的或者操作不恰當(dāng)?shù)牟襟E，將其選項(xiàng)對應(yīng)的字母填在下面的空行內(nèi)，并說明其原因．
答：B：錯誤，應(yīng)接到交流輸出端上；
C：沒有必要測量m；
D：錯誤，應(yīng)先接通開關(guān)，讓第1點(diǎn)打清楚再放開重物．
（2）利用這個裝置也可以測量重錘下落的加速度a的數(shù)值．如圖2所示，根據(jù)打出的紙帶，選取紙帶上打出的連續(xù)五個點(diǎn)A、B、C、D、E，測出A點(diǎn)距起始點(diǎn)O的距離為S₀，點(diǎn)A、C間的距離為s₁，點(diǎn)C、E間的距離為s₂，使用交流電的頻率為f，則根據(jù)這些條件計算重錘下落的加速度a的表達(dá)式為：a=$\frac{（{S}_{2}-{S}_{1}）{f}^{2}}{4}$．

（3）在驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，重錘減小的重力勢能總能大于重錘動能的增加，其原因主要是因?yàn)樵谥劐N下落過程中存在著阻力的作用，可以通過該實(shí)驗(yàn)裝置測定該阻力的大�。�若已知當(dāng)?shù)刂亓�加速度公認(rèn)的較準(zhǔn)確的值為g，還需要測量的物理量是重錘的質(zhì)量m．試用這些物理量和紙帶上的測量數(shù)據(jù)表示出重錘的下落的過程中受到的平均阻力大小為F=$mg-m\frac{{（{S_2}-{S_1}）{f^2}}}{4}$．

Answer 1

分析 （1）結(jié)合實(shí)驗(yàn)的原理及實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)誤差分析求得；
（2）有實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)的逐差法求解；
（3）對物體受力分析，根據(jù)牛頓第二定律求得．

解答 解：（1）沒有必要進(jìn)行的步驟是：
因?yàn)槲覀兪潜容^mgh、$\frac{1}{2}$mv²的大小關(guān)系，故m可約去比較，不需要用天平．故C沒有必要．故選C．
操作不恰當(dāng)?shù)牟襟E是：
應(yīng)將打點(diǎn)計時器接到電源的交流輸出端上，故B錯誤．
開始記錄時，應(yīng)先給打點(diǎn)計時器通電打點(diǎn)，然后再釋放重錘，讓它帶著紙帶一同落下，如果先放開紙帶讓重物下落，再接通打點(diǎn)計時時器的電源，由于重物運(yùn)動較快，不利于數(shù)據(jù)的采集和處理，會對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生較大的誤差，故D錯誤．
（2）對數(shù)據(jù)的處理計算加速度利用逐差法，△x=aT²代入數(shù)據(jù)求得：a=$\frac{{S}_{2}-{S}_{1}}{4{T}^{2}}$=$\frac{（{S}_{2}-{S}_{1}）{f}^{2}}{4}$；
（3）對小球受力分析，小球受重力和阻力，由牛頓第二定律可知：mg-F=ma，
解得：F=m（g-a），故實(shí)驗(yàn)中需測量重錘的質(zhì)量m，
利用牛頓第二定律求解：F=m（g-a）=$mg-m\frac{{（{S_2}-{S_1}）{f^2}}}{4}$；
故答案為：（1）B：錯誤，應(yīng)接到交流輸出端上；C：沒有必要測量m；D：錯誤，應(yīng)先接通開關(guān)，讓第1點(diǎn)打清楚再放開重物．
（2）$\frac{（{S}_{2}-{S}_{1}）{f}^{2}}{4}$；
（3）重錘的質(zhì)量m，$mg-m\frac{{（{S_2}-{S_1}）{f^2}}}{4}$．

點(diǎn)評 正確解答實(shí)驗(yàn)問題的前提是明確實(shí)驗(yàn)原理，從實(shí)驗(yàn)原理出發(fā)進(jìn)行分析所需實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)步驟，數(shù)據(jù)的處理等，合理的根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理結(jié)合理論知識確定物理量之間的關(guān)系．