Question

用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律．实验所用的电源为学生电源，有输出电压为6V、频率为50Hz的交流电和输出电压为6V的直流电两种．质量为0.300kg的重锤从高处由静止开始下落，重锤上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律．（g取9.8m/s²）
下面列举了该实验的几个操作步骤：
A．按照图示的装置安装器件；
B．将打点计时器接到电源的“直流输出”上；
C．松开手释放纸带，然后接通电源开关，打出一条纸带；
D．测量纸带上某些点间的距离；
E．根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能．
（1）其中没有必要进行的或者操作不当的步骤，请将其选项对应的字母填在下面的空行内，并说明其原因．答：

B：打点计时器应该使用交流电，C：应该先通电再释放纸带

（2）实验中得到如图乙所示的纸带，根据纸带可计算得知，重锤从B点到D点过程中重力势能减少量等于

0.271

J，动能增加量等于

0.264

J．（结果保留三位有效数字）

（3）在验证机械能守恒定律的实验中发现，重锤减小的重力势能总是大于重锤动能的增加量，其原因主要是

实验过程中存在摩擦阻力

．

Answer 1

分析：（1）对于实验，我们要从实验原理、实验仪器、实验步骤、实验数据处理、实验注意事项这几点去搞清楚．
（2）纸带实验中，若纸带匀变速直线运动，测得纸带上的点间距，利用匀变速直线运动的推论，可计算出打出某点时纸带运动的瞬时速度．从而求出动能．根据功能关系得重力势能减小量等于重力做功的数值．
（3）重物下落过程中不可避免的受到阻力作用，重力势能不可能全部转化为动能，这是误差的主要来源．

解答：解：（1）打点计时器使用的是交流电源，故B中将打点计时器接到电源的“直流输出”上错误，应该使用交流电源；
C、实验时，应先接通打点计时器电源后释放重物，由于重物运动较快，可能会使打出来的点很少，不利于数据的采集和处理．
（2）重力势能减小量等于：△E_p=mgh=0.300×9.8×（0.0442+0.0480）J=0.271 J．
在匀变速直线运动中，时间中点的瞬时速度等于该过程中的平均速度，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）在该实验中，由于摩擦力、空气阻力等阻力的存在，重锤减小的重力势能总是稍稍大于重锤动能的增加量；若重锤减小的重力势能总是大于重锤动能的增加量，而且比较明显，就要考虑阻力太大的原因．在该实验过程的步骤A中，没有检查打点计时器的两个限位孔是否在同一条竖直线上，导致摩擦力太大，应该是导致误差太大的主要原因．
故答案为：（1）B：打点计时器应该使用交流电，C：应该先通电再释放纸带；（2）0.271J，0.264；（3）实验过程中存在摩擦阻力．

点评：要知道重物带动纸带下落过程中能量转化的过程和能量守恒，熟练应用匀变速直线运动规律解决实验问题；重物带动纸带下落过程中，除了重力还受到阻力，从能量转化的角度，由于阻力做功，重力势能减小除了转化给了动能还有一部分转化给摩擦产生的内能．