Question

16．利用自由落體做驗證機械能守恒定律的實驗時，有下列器材可供選擇：
①鐵架臺；②電磁打點計時器；③復(fù)寫紙；④低壓直流電源；⑤天平；⑥秒表；⑦導(dǎo)線；⑧紙帶
（1）其中實驗中不必要的器材是（填序號）④⑤⑥；
（2）除上述器材外還差的器材是低壓交流電源、重錘、刻度尺．
（3）若已知打點計時器的電源頻率為50Hz、當(dāng)?shù)氐闹亓�加速度為g=9.8m/s²，重物質(zhì)量為m kg，實驗中得到一條點跡清晰的紙帶如圖所示，其中O為第一個點，A、B、C為另外3個連續(xù)點，由圖中數(shù)據(jù)，可知重物由0點運動到B點重力勢能減少量△E_p=7.6mJ，動能增量△E_k=7.5mJ，產(chǎn)生誤差的原因是紙帶與打點計時器間有摩擦阻力，或存在空氣阻力．（計算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）

Answer 1

分析 通過實驗的原理出發(fā)，確定所需測量的物理量，從而確定所需的器材，以及不必要的器材．
紙帶實驗中，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，從而求出動能．根據(jù)功能關(guān)系得重力勢能減小量等于重力做功的數(shù)值．由于紙帶通過時受到較大的阻力和重錘受到的空氣阻力，重力勢能有相當(dāng)一部分轉(zhuǎn)化給摩擦產(chǎn)生的內(nèi)能，所以重力勢能的減小量明顯大于動能的增加量．

解答 解：（1、2）該實驗中，要有做自由落體運動的物體重錘；通過打點計時器來記錄物體運動時間，不需要秒表，打點計時器需要的是交流電源，因此低壓直流電源不需要，缺少低壓交流電源，由于驗證機械能公式中可以把物體質(zhì)量約掉，因此不需要天平，同時實驗中缺少刻度尺．
所以不必要的器材有：秒表、低壓直流電源、天平．缺少的器材是低壓交流電源、重錘、刻度尺．
（3）重物由O點運動到B點時，重物的重力勢能的減少量△E_p=mgh=m×9.8×0.7776J≈7.6mJ．
利用勻變速直線運動的推論
v_B=$\frac{0.8576-0.7018}{2×0.02}$=3.89m/s，
則△E_k=$\frac{1}{2}$mv_B²=$\frac{1}{2}$×m×（3.89）²≈7.5m J，
重物動能的增加量略小于重物重力勢能的減少量的主要原因是紙帶與打點計時器間有摩擦阻力，或存在空氣阻力．
故答案為：（1）④⑤⑥；（2）低壓交流電源、重錘、刻度尺；
（3）7.6m；7.5m；紙帶與打點計時器間有摩擦阻力，或存在空氣阻力．

點評 正確解答實驗問題的前提是明確實驗原理，從實驗原理出發(fā)進行分析所需實驗器材、所測數(shù)據(jù)等，會起到事半功倍的效果．運用運動學(xué)公式和動能、重力勢能的定義式解決問題是該實驗的常規(guī)問題．要注意單位的換算．要知道重物帶動紙帶下落過程中能量轉(zhuǎn)化的過程和能量守恒．