Question

20．用如图1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，输出电压有交流电和直流电两种．重锤从高处由静止开始下落，打点计时器在重锤拖着的纸带上打出一系列的点，对图中纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律．
（1）下列几个操作步骤中：
A．按照图示，安装好实验装置；
B．将打点计时器接到电源的“交流输出”上；
C．用天平测出重锤的质量；
D．先释放重锤，后接通电源，纸带随着重锤运动，打点计时器在纸带上打下一系列的点；
E．测量纸带上某些点间的距离；
F．根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势是否等于增加的功能．
期中没有必要的是C，操作错误的是D．（填步骤前相应的字母）
（2）实验中得到一条点迹清晰的纸带如图2所示，其中0为第一个点，A、B、C为另外3个连续点，若使用的重锤质量为m=0.1kg，当地的重力加速度g=9.8m/s²，已知打点计时器每隔0.02s打一次点，根据图中数据可知，纸带的左端（填“左”或“右”）与重物相连，重物由O点运动到B点，重力势能减少量△E₁=0.762J；动能增加量△E_k=0.759J，产生误差的主要原因是：纸带与打点计时器间有摩擦阻力，或存在空气阻力等．（结果保留三位有效数字，图中长度单位：cm）

Answer 1

分析 解决实验问题首先要掌握该实验原理，了解实验的仪器、操作步骤和数据处理以及注意事项，只有理解了这些才能真正了解具体实验操作的含义．
纸带法实验中，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和加速度，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．

解答 解：（1）C、因为我们是比较mgh、$\frac{1}{2}$mv²的大小关系，故m可约去比较，不需要用天平，故C没有必要．
D、开始记录时，应先给打点计时器通电打点，然后再释放重锤，让它带着纸带一同落下，如果先放开纸带让重物下落，再接通打点计时时器的电源，由于重物运动较快，不利于数据的采集和处理，会对实验产生较大的误差，故D错误．
（2）从O到C可以看出，相等时间内的位移越来越大，则纸带的左端与重物相连．重力势能减小量为：△E_p=mgh=0.1×9.8×0.7776J=0.762J．
利用匀变速直线运动的推论有：v_B=$\frac{0.8576-0.7018}{2×0.02}$=3.895m/s
动能增加量为：△E_k=$\frac{1}{2}$mv_B²=$\frac{1}{2}$×0.1×（3.895）²=0.759J．
产生误差的主要原因是纸带与打点计时器间有摩擦阻力，或存在空气阻力等．
故答案为：（1）C，D；（2）左，0.762，0.759，纸带与打点计时器间有摩擦阻力，或存在空气阻力等．

点评 正确解答实验问题的前提是明确实验原理，从实验原理出发进行分析所需实验器材、所测数据等，会起到事半功倍的效果．运用运动学公式和动能、重力势能的定义式解决问题是该实验的常规问题．要注意单位的换算．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．