Question

20．用如圖1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(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計時器打出一系列的點，對紙帶上的點的痕跡進(jìn)行測量，即可驗證機械能守恒定律．

（1）下面列舉了該實驗的幾個操作步驟：
A．按照圖示的裝置安裝器件
B．將打點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)接電源的交流輸出端；D錯誤，先接通電源再釋放夾子；C是不必要的
（2）在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，打點計時器接在50Hz的交變電源上，自由下落的重物質(zhì)量為1kg，一條理想的紙帶數(shù)據(jù)如圖2所示，單位是cm，取g=9.8m/s²，O、A之間有幾個點沒畫出．O點是重物開始下落時打出的第一個點．從起點O到打下點B的過程中重力勢能減少量△E_P=2.34J，此過程中物體動能的增量△E_K=2.33J．（結(jié)果保留3位有效數(shù)字）判斷機械能是（填“是”或“否”）守恒，理由是在實驗誤差范圍內(nèi)，重物的重力勢能的減少量等于動能的增加量．

Answer 1

分析 （1）打點計時器使用交流電源，驗證機械能守恒時不需要測量重錘的質(zhì)量，實驗時應(yīng)先接通電源，再釋放紙帶．
（2）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，從而得出重錘的動能．根據(jù)下降的高度求出重力勢能的減小量，從而即可判定機械能是否守恒．

解答 解：（1）B、打點計時器應(yīng)接到電源的交流輸出端上，故B錯誤．
C、驗證機械能守恒，即驗證動能的增加量和重力勢能的減小量是否相等，兩端都有質(zhì)量，可以約去，所以C步驟不必要．
D、實驗時應(yīng)先接通電源，再釋放紙帶，故D錯誤．
所以沒有必要或操作不當(dāng)?shù)牟襟E為：BCD．
（2）利用勻變速直線運動的推論
v_B=$\frac{{x}_{AC}}{2T}$=$\frac{0.2823-0.1960}{2×0.02}$=2.1575m/s
重物由O點運動到B點時，重物的重力勢能的減少量△E_p=mgh=1.0×9.8×0.2386J≈2.34J．
E_kB=$\frac{1}{2}$mv_B²=$\frac{1}{2}×1×2.157{5}^{2}$≈2.33J
在實驗誤差范圍內(nèi)，重物的重力勢能的減少量等于動能的增加量，所以在實驗誤差范圍內(nèi)，機械能守恒．
故答案為：（1）B錯誤，應(yīng)接電源的交流輸出端；
D錯誤，先接通電源再釋放夾子；
C是不必要的；
（2）2.34J，2.33J，是，在實驗誤差范圍內(nèi)，重物的重力勢能的減少量等于動能的增加量．

點評 運用運動學(xué)公式和動能、重力勢能的定義式解決問題是該實驗的常規(guī)問題；要知道重物帶動紙帶下落過程中能量轉(zhuǎn)化的過程和能量守恒；要明確重錘的質(zhì)量可以測量，但不必需．