Question

17．如圖1所示是利用自由落體運動進行“驗證機械能守恒定律”的實驗裝置，所用的打點計時器通以50Hz的交流電．

（1）甲同學(xué)按照正確的實驗步驟操作后，選出一條紙帶如圖2所示，其中O點為重物剛要下落時打點計時器打下的第一個點，A、B、C為三個計數(shù)點，用刻度尺測得OA=12.41cm，OB=18.60cm，OC=27.21cm，在計數(shù)點A和B、B和C之間還各有一個點．已知重物的質(zhì)量為1.00kg，取g=9.80m/s²．在OB段運動過程中，重物重力勢能的減少量△E_p=1.82J；重物的動能增加量△E_k=1.71J（結(jié)果均保留三位有效數(shù)字）．
（2）該實驗沒有考慮各種阻力的影響，這屬于本實驗的系統(tǒng)誤差（選填“偶然”或“系統(tǒng)”）．由此看，甲同學(xué)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果比較合理的應(yīng)當(dāng)是△E_p大于△E_k（選填“大于”、“等于”或“小于”）．
（3）乙同學(xué)想利用該實驗裝置測定當(dāng)?shù)氐闹亓�加速度．他打出了一條紙帶后，利用紙帶測量出了各計數(shù)點到打點計時器打下的速度為零的點的距離h，算出了各計數(shù)點對應(yīng)的速度v，以h為橫軸，以$\frac{1}{2}{v^2}$為縱軸畫出了如圖3所示的圖線．由于圖線沒有過原點，他又檢查了幾遍，發(fā)現(xiàn)測量和計算都沒有出現(xiàn)問題，其原因可能是：先釋放重物再接通打點計時器．
乙同學(xué)測出該圖線的斜率為k，如果不計一切阻力，則當(dāng)?shù)氐闹亓�加速度g等于 k（選填“大于”、“等于”或“小于”）．
（4）丙同學(xué)利用該實驗裝置又做了其它探究實驗，分別打出了標號為①、②、③、④的4條紙帶，其中只有一條是做“驗證機械能守恒定律”的實驗時打出的．為了找出該紙帶，丙同學(xué)在每條紙帶上取了點跡清晰的、連續(xù)的4個點，用刻度尺測出相鄰兩個點間的距離依次為x₁、x₂、x₃．請你根據(jù)下列x₁、x₂、x₃的測量結(jié)果確定該紙帶為①（選填標號）．（取g=9.80m/s²）
①6.13cm，6.52cm，6.91cm
②6.05cm，6.10cm，6.15cm
③4.12cm，4.51cm，5.30cm
④6.10cm，6.58cm，7.06cm．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)下降的高度求出重力勢能的減小量，根據(jù)某段時間內(nèi)的平均速度等于中間時刻的瞬時速度求出B點的速度，從而得出動能的增加量．
（2）阻力的影響屬于系統(tǒng)誤差，數(shù)據(jù)處理時，由于阻力的存在，重力勢能的減小量應(yīng)大于動能的增加量．
（3）根據(jù)下落高度為零時，物體速度不為零，分析圖線不過原點的原因．結(jié)合機械能守恒求出圖象的函數(shù)表達式，從而得出圖線斜率的含義．
（4）在驗證機械能守恒定律實驗中物體是在豎直下落只受重力的情況下完成的，故可知下落的加速度，則由△x=gt²可找出符合條件的紙帶．

解答 解：（1）在OB段運動過程中，重物重力勢能的減少量△E_p=mgh_OB=1×9.8×0.186J≈1.823J=1.82J，
B點的速度：v_B=$\frac{{x}_{AC}}{2t}$=$\frac{0.2721-0.1241}{2×（0.02×2）}$=1.85m/s，
則動能的增加量△E_K=$\frac{1}{2}$mv_B²=$\frac{1}{2}$×1.00×1.85²J≈1.71J．
（2）該實驗沒有考慮各種阻力的影響，這屬于本實驗的系統(tǒng)誤差．甲同學(xué)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果比較合理的應(yīng)當(dāng)是△E_p＞△E_k．
（3）從圖象中可以看出，當(dāng)物體下落的高度為0時，物體的速度不為0，說明了操作中先釋放重物，再接通（打點計時器）電源．
根據(jù)機械能守恒得：mgh=$\frac{1}{2}$mv²，則$\frac{1}{2}$v²=gh，則$\frac{1}{2}$v²-h圖象的斜率：k=g．
（4）紙帶中打出的點符合相臨相等的條件，則可知相臨兩位移間應(yīng)保證位移之差等于gt²=9.80×（0.02）²=0.00392≈0.39cm；
①中的位移之差分別為0.39cm，故①正確．
②中的位移之差分別為0.05cm，故②錯誤．
③中的位移之差分別為0.39cm，0.79cm，故③錯誤．
④中的位移之差分別為0.48cm，故④錯誤．故選：①．
故答案為：（1）1.82；1.71；（2）系統(tǒng)；大于；（3）先釋放重物再接通打點計時器；等于；（4）①．

點評 解決本題的關(guān)鍵知道實驗的原理，知道重力勢能的減小量略大于動能增加量的原因，掌握紙帶的處理方法，會通過紙帶求解重力勢能的減小量，通過平均速度推論求出瞬時速度的大小，從而得出動能的增加量．