Question

1．DIS是由传感器、数据采集器、计算机、实验教学软件构成的数字化实验系统．某实验小组“用DIS研究机械能守恒定律”的实验装置如图（a）所示．实验时，将摆球（连同遮光片J）每次都从同一位置M下摆，传感器K分别固定在A、B、C、D采集数据，D点为摆球通过的最低点．在一次实验中以图象方式采集数据并分析实验结果，所显示的图象如图（b）所示．图象的横轴表示摆球距离D点的高度^，纵轴表示摆球的重力势能E_p、动能E_k或机械能E（不计空气阻力）．

（1）图（b）中的图象表示摆球重力势能EP随摆球距离D点的高度h变化关系的图线是Ⅱ（填“I”“Ⅱ”或“Ⅲ”）．
（2）摆球在摆动过程中，重力所做功的最大值为0.016J，摆球在距离D点的高度h=0.1m处的速率为1.4m/s（重力加速度取9.8m/s²）．
（3）从图（b）中的图象可以得出本实验的结论是：摆球在摆动过程中，机械能守恒．

Answer 1

分析 （1）根据小球在静止释放后，重力在做正功，重力势能E_P不断减少，动能E_K不断增加，而重力势能和动能的总量即机械能不变来选择图线；
（2）根据重力势能与高度的关系 E_p=mgh，分析图线的斜率，求出质量，再根据动能表达式，即可求解；（3）分析动能与重力势能之和，即机械能是否变化，结合条件，判断得出结论．

解答 解：①根据E_P=mgh和动能定理可知，当高度增大时，重力做负功，E_P=mgh增大，动能减小，而机械能不变，则摆球重力势能E_P随摆球距离D点的高度h变化关系的图线是Ⅱ．
（2）小球摆动过程受到拉力和重力，拉力不做功，只有重力做功，由图知，小球的机械能守恒，因此直线I表示机械能，而当动能为零时，重力势能最大，即为0.016J；
重力势能与高度的关系 E_p=mgh，由图Ⅱ知，h=0.1m处，mgh=0.008J，则m=$\frac{0.008}{9.8×0.1}$kg≈0.008kg
而直线Ⅲ表示动能E_k与高度的关系，摆球在距离D点的高度h=0.1m处，动能为E_K=$\frac{1}{2}m{v}^{2}$=0.008J；
那么其的速率为v=$\sqrt{2}$≈1.4m/s．
（3）由三个图象可知，动能+重力势能=机械能，因此摆球在摆动过程中，机械能守恒；
故答案为：
（1）Ⅱ；（2）0.016，1.4；（3）摆球在摆动过程中，机械能守恒．

点评 本题考查理解物理图象的能力．守恒定律关键要明确条件．验证性实验最后得出结论时，要强调在实验误差允许的范围内，小球的机械能守恒．