Question

2．如圖1所示，將打點計時器固定在鐵架臺上，用重物帶動紙帶從靜止開始自由下落，利用此裝置可驗證機械能守恒定律．

（1）已準備的器材有打點計時器（帶導(dǎo)線）、紙帶、復(fù)寫紙、帶鐵夾的鐵架臺和帶夾子的重物，此外還需要的器材是D（填字母代號）
A．直流電源、天平及砝碼      B．直流電源、毫米刻度尺
C．交流電源、天平及砝碼      D．交流電源、毫米刻度尺
（2）實驗中需要測量物體由靜止開始自由下落到某點時的瞬時速度v和下落高度h．某同學(xué)對實驗得到的紙帶，設(shè)計了以下四種測量方案，這些方案中合理的是：D
A．用刻度尺測出物體下落的高度h，由打點間隔數(shù)算出下落時間t，通過v=gt計算出瞬時速度v
B．用刻度尺測出物體下落的高度h，并通過v=$\sqrt{2gh}$計算出瞬時速度v
C．根據(jù)做勻變速直線運動時，紙帶上某點的瞬時速度等于這點前后相鄰兩點間的平均速度，測算出瞬時速度v，并通過計算得出高度h
D．用刻度尺測出物體下落的高度h，根據(jù)做勻變速直線運動時，紙帶上某點的瞬時速度等于這點前后相鄰兩點間的平均速度，測算出瞬時速度v
（3）安裝好實驗裝置，正確進行實驗操作，從打出的紙帶中選出符合要求的紙帶，如圖2所示．圖中O點為打點起始點，且速度為零．選取紙帶上打出的連續(xù)點A、B、C、…作為計數(shù)點，測出其中E、F、G點距起始點O的距離分別為h₁、h₂、h₃．已知重錘質(zhì)量為m，當?shù)刂亓�加速度為g，計時器打點周期為T．為了驗證此實驗過程中機械能是否守恒，需要計算出從O點到F點的過程中，重錘重力勢能的減少量△E_p=$mg{h}_{2}^{\;}$，動能的增加量△E_k=$\frac{m（{h}_{3}^{\;}-{h}_{1}^{\;}）_{\;}^{2}}{8{T}_{\;}^{2}}$（這兩個空均要求用題中所給字母表示）
（4）實驗結(jié)果往往是重力勢能的減少量略大于動能的增加量，關(guān)于這個誤差下列說法正確的是BD
A．該誤差屬于偶然誤差              
B．該誤差屬于系統(tǒng)誤差
C．可以通過多次測量取平均值的方法來減小該誤差
D．可以通過減小空氣阻力和摩擦阻力的影響來減小該誤差．

Answer 1

分析 （1）在驗證機械能守恒的實驗中，驗證動能的增加量與重力勢能的減小量是否相等，所以要測重錘下降的距離和瞬時速度，測量瞬時速度和下降的距離均需要刻度尺，不需要秒表，重錘的質(zhì)量可以不測
（2）解決實驗問題首先要掌握該實驗原理，了解實驗的儀器、操作步驟和數(shù)據(jù)處理以及注意事項．
該實驗是驗證機械能守恒定律的實驗．因為我們知道自由落體運動只受重力，機械能就守恒．如果把重物看成自由落體運動，再運用自由落體的規(guī)律求解速度，那么就不需要驗證；
（3）根據(jù)下降的高度求出重力勢能的減小量，根據(jù)某段時間內(nèi)的平均速度等于中間時刻的瞬時速度求出F點的速度，從而得出動能的增加量．
（4）由于空氣阻力的存在，所以重力勢能的減少量略大于動能的增加量屬于系統(tǒng)誤差，通過減小阻力的影響可以減小系統(tǒng)誤差．

解答 解：（1）打點計時器的工作電源是交流電源，在實驗中需要刻度尺測量紙帶上點與點間的距離從而可知道重錘下降的距離，以及通過紙帶上兩點的距離，求出平均速度，從而可知瞬時速度．紙帶上相鄰兩計時點的時間間隔已知，所以不需要秒表．重錘的質(zhì)量可以不測．故選：D
（2）物體由靜止開始自由下落過程中受到空氣阻力和紙帶與打點計時器的摩擦阻力作用，不是自由落體運動，v=gt，v=$\sqrt{2gh}$，都是自由落體運動的公式．若用這些公式進行分析，就不需要驗證了，相當于用機械能守恒驗證機械能守恒．下落的高度用刻度尺測量，瞬時速度用平均速度的方法計算．故ABC錯誤，D正確．
（3）從O點到F點的過程中，重物重力勢能的減少量為：|△E_p|=mgh₂，
F點的瞬時速度為：${v}_{F}^{\;}=\frac{{h}_{3}^{\;}-{h}_{1}^{\;}}{2T}$，
則動能的增加量為：$△{E}_{K}^{\;}=\frac{1}{2}m{v}_{F}^{2}$=$\frac{1}{2}m（\frac{{h}_{3}^{\;}-{h}_{1}^{\;}}{2T}）_{\;}^{2}$=$\frac{m（{h}_{3}^{\;}-{h}_{1}^{\;}）_{\;}^{2}}{8{T}_{\;}^{2}}$．
（4）實驗結(jié)果往往是重力勢能的減少量略大于動能的增加量，這個誤差是系統(tǒng)誤差，無法避免，可以通過減小空氣阻力和摩擦阻力的影響來減小該誤差．
故選：BD．
故答案為：（1）D，（2）D，（3）mgh₂，$\frac{m（{h}_{3}^{\;}-{h}_{1}^{\;}）_{\;}^{2}}{8{T}_{\;}^{2}}$，（4）BD，

點評 我們做驗證實驗、探究實驗過程中，不能用驗證的物理規(guī)律和探究的物理結(jié)論去求解問題．
紙帶法實驗中，若紙帶勻變速直線運動，測得紙帶上的點間距，利用勻變速直線運動的推論，可計算出打出某點時紙帶運動的瞬時速度和加速度，從而求出動能．