Question

15．某同学利用重物自由下落来“验证机械能守恒定律”的实验装置如图甲所示．
（1）请指出实验装置中存在的明显错误：打点计时器不能接“直流电源”．
（2）进行实验时，为保证重物下落时初速度为零，应A（选填“A”或“B”）．
A．先接通电源，再释放纸带
B．先释放纸带，再接通电源
（3）根据打出的纸带，选取纸带上连续打出的1、2、3、4四个点如图乙所示．已测出点1、2、3、4到打出的第一个点O的距离分别为h₁、h₂、h₃、h₄，打点计时器的打点周期为T．若代入所测数据能满足表达式gh₃=$\frac{（{h}_{4}-{h}_{2}）^{2}}{8{T}^{2}}$，则可验证重物下落过程机械能守恒（用题目中已测出的物理量表示）．

Answer 1

分析 打点计时器应使用交流电源，重物释放时应紧靠打点计时器．
先接通电源后，释放纸带，确保重锺下落时初速度为零．
根据某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度求出3点的速度，再由减小的重力势能转化动能来验证是否守恒．

解答 解：（1）从图甲中的实验装置中发现，打点计时器接在了“直流电源”上，打点计时器的工作电源是“低压交流电源”．因此，明显的错误是打点计时器不能接在“直流电源”上．
（2）为了使纸带上打下的第1个点是速度为零的初始点，应该先接通电源，让打点计时器正常工作后，再释放纸带．若先释放纸带，再接通电源，当打点计时器打点时，纸带已经下落，打下的第1个点的速度不为零．因此，为保证重物下落的初速度为零，应先接通电源，再释放纸带．
（3）根据实验原理，只要验证gh_n=$\frac{1}{2}$v²n即可验证机械能守恒定律．因此需求解v₃．根据匀变速直线运动规律关系式可得，v₃=$\frac{{h}_{4}-{h}_{2}}{2T}$，则有$\frac{1}{2}$v²₃=$\frac{（{h}_{4}-{h}_{2}）^{2}}{8{T}^{2}}$，故只要在误差允许的范围内验证gh₃=$\frac{（{h}_{4}-{h}_{2}）^{2}}{8{T}^{2}}$成立，就可验证重物下落过程中机械能守恒．
故答案为：（1）打点计时器不能接“直流电源”（或打点计时器应接“交流电源”）；（2）A；（3）$\frac{（{h}_{4}-{h}_{2}）^{2}}{8{T}^{2}}$

点评 解决本题的关键知道该实验的原理以及注意事项，掌握求解瞬时速度的方法．注意掌握实验中的注意事项，明确若先释放纸带后接通电源时纸带的初速度不为零，则不能取开始打点的来验证，同时打点也不稳定，误差较大．