Question

5．用如圖所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律．實驗所用的電源為學生電源，輸出電壓為6V的交流電（頻率為50赫茲）和直流電兩種．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，對紙帶上的點痕進行測量，即可驗證機械能守恒定律．（g取9.8m/s²）

（1）下面列舉了該實驗的幾個操作步驟：
A．按照圖1所示的裝置安裝器件；
B．將打點計時器接到電源的“直流輸出”上；
C．釋放懸掛紙帶的夾子，再接通電源開關(guān)打出一條紙帶；
D．測量紙帶上某些點間的距離；
E．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．
其中操作不當?shù)牟襟E是BC．
（2）實驗中得到如圖2所示的紙帶，根據(jù)紙帶可得重錘從B點到D點重力勢能的減少量等于0.271J，動能的增加量等于0.264J．（結(jié)果保留三位有效數(shù)）
（3）在驗證機械能守恒定律的實驗中發(fā)現(xiàn)，重錘減小的重力勢能總是大于重錘動能的增加，其原因主要是存在阻力．

Answer 1

分析 （1）在驗證機械能守恒定律的實驗中，總共涉及到：打點計時器的使用，紙帶的數(shù)據(jù)處理和驗證機械能守恒定律這幾項內(nèi)容，特別是打點計時器的使用的幾個注意事項．
（2）計算重力勢能的減小，使用公式△E_P=mg△h代入數(shù)據(jù)即可，計算動能的增加，要分別計算出重錘在B點的速度和在D點的速度，再代入公式△E_K=$\frac{1}{2}$m${v}_{D}^{2}$-$\frac{1}{2}m{v}_{B}^{2}$；
（3）因存在摩擦阻力，導(dǎo)致重錘減小的重力勢能總是大于重錘動能的增加．

解答 解：（1）打點計時器的使用的幾個注意事項，要檢查打點計時器的兩個限位孔和紙帶的運動方向一致，該實驗中，要在同一條豎直線上；打點計時器應(yīng)該使用4～6V的交流電；要先接通電源開關(guān)，然后松開手釋放紙帶，該次序不能顛倒．因此，以上的幾個實驗的二個操作步驟都有問題．正確的方法應(yīng)該是：B：打點計時器應(yīng)該使用交流電；C：要先接通電源開關(guān)，然后松開手釋放紙帶，該次序不能顛倒．
（2）重錘從B點到D點過程中重力勢能減少量：△E_P=mg△h=0.3×9.8×（4.42+4.80）×10^-2=0.271J
重錘在B點的速度：v_B=$\frac{{x}_{AB}+{x}_{BC}}{2T}$=$\frac{0.0430+0.0442}{2×0.02}$=2.11m/s
重錘在D點的速度：v_D=$\frac{{x}_{CD}+{x}_{DE}}{2T}$=$\frac{0.0480+0.0518}{2×0.02}$=2.495m/s
動能的增加量：△E_K=$\frac{1}{2}$m${v}_{D}^{2}$-$\frac{1}{2}m{v}_{B}^{2}$=0.264J
（3）在該實驗中，由于摩擦力、空氣阻力等阻力的存在，重錘減小的重力勢能總是稍稍大于重錘動能的增加量；若重錘減小的重力勢能總是大于重錘動能的增加量，而且比較明顯，就要考慮阻力太大的原因．在該實驗過程的步驟A中，沒有檢查打點計時器的兩個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、C； （2）0.271J （0.269～0.275之間）；0.264J（0.261～0.267之間）；
（3）存在阻力．

點評 （1）打點計時器的使用的幾個注意事項，是和它有關(guān)的實驗中的重點之一，像該題中，打點計時器的使用的幾個注意事項都存在一定的問題；
（2）計算重錘在B點的速度和在D點的速度，要使用到紙帶的數(shù)據(jù)處理的方法，即：某段過程中的中點時刻的即時速度，等于該段時間內(nèi)的平均速度．
（3）該考題涉及的知識點較多，計算較簡單，屬于中檔題目．