Question

1．為了探究能量轉(zhuǎn)化和守恒規(guī)律，某學(xué)習(xí)研究小組設(shè)計(jì)如圖1所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．

（1）為了測(cè)定整個(gè)過(guò)程電路產(chǎn)生的焦耳熱，需要知道螺線管線圈的電阻．用替代法測(cè)線圈電阻R_x的阻值可用如圖2所示電路，圖中R_S為電阻箱（R_S的最大阻值大于待測(cè)電阻R_x的阻值），S₂為單刀雙擲開(kāi)關(guān)，R₀為滑動(dòng)變阻器．為了電路安全，測(cè)量前應(yīng)將滑動(dòng)變阻器的滑片P調(diào)至a，（填“a”或“b”）電阻箱R_S阻值應(yīng)調(diào)至最大（選填“最大”或“最小”）．閉合S₁開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，接下來(lái)有如下一些操作，合理的次序是CABED（選填字母代號(hào)）：
A．慢慢移動(dòng)滑片P使電流表指針變化至某一適當(dāng)位置
B．將S₂閉合在1端              
C．將S₂閉合在2端
D．記下電阻箱上電阻讀數(shù)
E．調(diào)節(jié)電阻箱R_S的值，使電流表指針指在與上一次指針位置相同
（2）按圖1所示裝置安裝實(shí)驗(yàn)器材后，將質(zhì)量為0.50kg的條形磁鐵拖一條紙帶由靜止釋放，利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出如圖3所示的紙帶．磁鐵下落過(guò)程中穿過(guò)空心的螺線管，螺線管與10Ω的電阻絲接成閉合電路，用電壓傳感器采集數(shù)據(jù)得到該電阻兩端電壓與時(shí)間的U-t圖，并轉(zhuǎn)換為U²-t圖，如圖4所示．
①經(jīng)分析紙帶在打第14點(diǎn)時(shí)，條形磁鐵已經(jīng)離線圈較遠(yuǎn)了，打第14點(diǎn)時(shí)磁鐵速度為2.0米/秒．0～14點(diǎn)過(guò)程中，磁鐵的機(jī)械能損失為0.18焦耳．（取兩位有效數(shù)字，g取9.8m/s²）
②若螺線管線圈的電阻是90Ω，又從圖4中U²-t圖線與時(shí)間軸所圍的面積約為103格，可以計(jì)算磁鐵穿過(guò)螺線管過(guò)程中，在回路中產(chǎn)生的總電熱是0.10焦耳．（取兩位有效數(shù)字）
③實(shí)驗(yàn)結(jié)果機(jī)械能損失與回路中電流產(chǎn)生的熱量相差較大，試分析其原因可能磁鐵的機(jī)械能損失還有一部分是；紙帶克服摩擦力做功；磁鐵克服空氣阻力做功；在電磁感應(yīng)過(guò)程中存在電磁輻射．

Answer 1

分析 （1）本實(shí)驗(yàn)利用了等效替代法，借助電阻箱的示數(shù)利用等效替代的方法間接測(cè)量待測(cè)電阻R_x；
如圖所示電源電壓保持不變，利用電流等效；即①先把開(kāi)關(guān)S接2點(diǎn)，讀出電流表的示數(shù)為I（此電流為R_x、R₀共同作用的效果）；②然后再把開(kāi)關(guān)S接1點(diǎn)，調(diào)節(jié)電阻箱，使電流表的示數(shù)仍變?yōu)樵瓉?lái)的數(shù)值I（此電流為R、R₀共同作用的效果）；③既然R_x和R₀共同作用的效果與R、R₀共同作用的效果相同，即R_x=R．
本實(shí)驗(yàn)中利用了電阻箱R阻值等效替代了待測(cè)電阻R_x，測(cè)量方法突破常規(guī)思維，非常獨(dú)特、新穎．
（2）紙帶實(shí)驗(yàn)中，若紙帶勻變速直線運(yùn)動(dòng)，測(cè)得紙帶上的點(diǎn)間距，利用勻變速直線運(yùn)動(dòng)的推論，可計(jì)算出打出某點(diǎn)時(shí)紙帶運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度和加速度，從而求出動(dòng)能．根據(jù)功能關(guān)系得重力勢(shì)能減小量等于重力做功的數(shù)值．
根據(jù)機(jī)械能的定義求出損失的機(jī)械能．

解答 解：（1）為了電路安全，測(cè)量前應(yīng)將滑動(dòng)變阻器的滑片P調(diào)至a端達(dá)最大值，電阻箱R₅阻值應(yīng)調(diào)至最大．
閉合S₁開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，接下來(lái)有如下一些操作，合理的次序是：CABED．
（2）①利用勻變速直線運(yùn)動(dòng)的推論得，打第14點(diǎn)時(shí)磁鐵速度為：
v₁₄=$\frac{x}{t}$=$\frac{0.381+0.420}{2×0.02}$m/s=2.0m/s
E_k14=$\frac{1}{2}$mv₁₄²
重力勢(shì)能減小量：△E_p=mgh₁₄，
0-14點(diǎn)過(guò)程中，磁鐵的機(jī)械能損失為：△E=△E_p-E_k14=0.18J
②根據(jù)Q=$\frac{{U}^{2}}{R}$t得回路中產(chǎn)生的總電熱可以看成是圖線與時(shí)間軸所圍的面積比上電阻，所以在回路中產(chǎn)生的總電熱是0.10J．
③實(shí)驗(yàn)結(jié)果機(jī)械能損失與回路中電流產(chǎn)生的熱量相差較大，其原因可能是紙帶克服摩擦力做功；磁鐵克服空氣阻力做功；
在電磁感應(yīng)過(guò)程中存在電磁輻射．
故答案為：（1）a端，最大，CABED；
（2）①2.0，0.18；  ②0.10；
③磁鐵的機(jī)械能損失還有一部分是；紙帶克服摩擦力做功；磁鐵克服空氣阻力做功；在電磁感應(yīng)過(guò)程中存在電磁輻射．

點(diǎn)評(píng) 此題主要考查的是等效替代的研究方法．等效替代法是指在保證某一方面效果相同的前提下，用理想的、熟悉的、簡(jiǎn)單的物理對(duì)象、物理過(guò)程、物理現(xiàn)象來(lái)替代實(shí)際的、陌生的、復(fù)雜的物理對(duì)象、物理過(guò)程、物理現(xiàn)象的思想方法．
紙帶問(wèn)題的處理是力學(xué)實(shí)驗(yàn)中常見(jiàn)的問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)中，若紙帶勻變速直線運(yùn)動(dòng)，測(cè)得紙帶上的點(diǎn)間距，利用勻變速直線運(yùn)動(dòng)的推論，可計(jì)算出打出某點(diǎn)時(shí)紙帶運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度．