题目内容

20.如图1所示为利用自由落体“验证机械能守恒定律”的实验装置.
①安装好实验装置,正确进行实验操作,从打出的纸带中选出符合要求的纸带,如图2所示(其中一段纸带图中未画出).图中O点为打出的起始点,且速度为零.选取在纸带上连续打出的点A、B、C、D、E、F、G作为计数点.其中测出D、E、F点距起始点O的距离如图所示.已知打点计时器打点周期为T=0.02s.由此可计算出物体下落到E点时的瞬时速度vE=3.04 m/s(结果保留三位有效数字).

②若已知当地重力加速度为g,代入图中所测的数据进行计算,并将$\frac{1}{2}$vE2与gh2进行比较(用题中所给字母表示),即可在误差范围内验证,从O点到E 点的过程中机械能是否守恒.
③某同学进行数据处理时不慎将纸带前半部分损坏,找不到打出的起始点O了,如图3所示.于是他利用剩余的纸带进行如下的测量:以A点为起点,测量各点到A点的距离h,计算出物体下落到各点的速度v,并作出v2-h图象.图4中给出了a、b、c三条直线,他作出的图象应该是直线a;由图象得出,A点到起始点O的距离为10.0cm(结果保留三位有效数字).

④某同学在家里做“验证机械能守恒定律”的实验,他设计的实验装置如图5所示,用细线的一端系住一个较重的小铁锁(可看成质点),另一端缠系在一支笔上,将笔放在水平桌面的边上,用较重的书压住.将铁锁拉至与桌面等高处(细线拉直),然后自由释放.在笔的正下方某合适位置放一小刀,铁锁经过时,细线立即被割断,铁锁继续向前运动,落在水平地面上.测得水平桌面高度为H,笔到铁锁的距离为L,笔到铁锁落地的水平距离为s.若满足s2=4l(h-l)(用L、H表示),即可验证铁锁从释放至运动到笔的正下方的过程中机械能守恒.

分析 ①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E点的瞬时速度.
②根据重力势能的减小量等于动能的增加量,列出机械能守恒的表达式.
③抓住A点速度不为零,得出正确的图线,结合O点的速度为零,结合图线得出A点距离O点的距离.
④根据平抛运动的规律,抓住重力势能的减小量等于动能的增加量,得出机械能守恒的表达式.

解答 解:①E点的瞬时速度${v}_{E}=\frac{{x}_{DF}}{2T}=\frac{(54.91-42.75)×1{0}^{-2}}{2×0.02}$m/s=3.04m/s;
②当重力势能的减小量mgh2与动能的增加量$\frac{1}{2}m{{v}_{E}}^{2}$相等,则机械能守恒,即验证$\frac{1}{2}{{v}_{E}}^{2}$与gh2是否相等;
③以A点为起点,测量各点到A点的距离h,由于A点速度不为零,可知h=0时,纵轴坐标不为零,可知正确的图线为a.由图4可知,初始位置时,速度为零,可知A点到起始点O的距离为10.0cm.
④平抛运动的高度h-l,根据h-l=$\frac{1}{2}g{t}^{2}$得,t=$\sqrt{\frac{2(h-l)}{g}}$,则绳断时,铁锁的速度v=$\frac{s}{t}=s\sqrt{\frac{g}{2(h-l)}}$,根据机械能守恒得,mgl=$\frac{1}{2}m{v}^{2}$,有gl=$\frac{1}{2}{s}^{2}•\frac{g}{2(h-l)}$,整理得:s2=4l(h-l).
故答案为:①3.04,②gh2 ,③a,10.0,④4l(h-l).

点评 解决本题的关键掌握实验的原理,能够结合平抛运动验证机械能守恒,以及掌握纸带的处理,会通过纸带求解瞬时速度.

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