Question

14．如圖1所示，將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在鐵架臺(tái)上，用重物帶動(dòng)紙帶從靜止開(kāi)始自由下落，利用此裝置可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．

（l）已準(zhǔn)備的器材有打點(diǎn)計(jì)時(shí)器（帶導(dǎo)線）、紙帶、復(fù)寫(xiě)紙、帶鐵夾的鐵架臺(tái)和帶夾子的重物，此外還需要的器材是D（填字母代號(hào)）．
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(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量物體由靜止開(kāi)始自由下落到某點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度v和下落高度h．某同學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的紙帶，設(shè)計(jì)了以下四種測(cè)量方案，這些方案中合理的是D
A．用刻度尺測(cè)出物體下落的高度h，由打點(diǎn)間隔數(shù)算出下落時(shí)間t，通過(guò)v=gt計(jì)算出瞬時(shí)速度v
B．用刻度尺測(cè)出物體下落的高度h．并通過(guò)v=$\sqrt{2gh}$計(jì)算出瞬時(shí)速度v
C．根據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，紙帶上某點(diǎn)的瞬時(shí)速度等于這點(diǎn)前后相鄰兩點(diǎn)間的平均速度．測(cè)算出瞬時(shí)速度v，并通過(guò)h=$\frac{v^2}{2g}$計(jì)算得出高度
D．用刻度尺測(cè)出物體下落的高度h，根據(jù)做勻變速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，紙帶上某點(diǎn)的瞬時(shí)速度等于這點(diǎn)前后相鄰兩點(diǎn)同的平均速度，測(cè)算出瞬時(shí)速度v
（3）安裝好實(shí)驗(yàn)裝置，正確進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(diǎn)為打點(diǎn)起始點(diǎn)，且速度為零．選取紙帶上打出的連續(xù)點(diǎn)A、B、C、…作為計(jì)數(shù)點(diǎn)，測(cè)出其中E、F、G點(diǎn)距起始點(diǎn)O的距離分別為h₁、h₂、h₃．已知重錘質(zhì)量為m，當(dāng)?shù)刂亓�加速度為g，計(jì)時(shí)器打點(diǎn)周期為T．為了驗(yàn)證此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中機(jī)械能是否守恒，需要計(jì)算出從O點(diǎn)到F點(diǎn)的過(guò)程中，重錘重力勢(shì)能的減少△E_p=mgh₂，動(dòng)能的增加量△E_k=${\frac{{m（{{h_3}-{h_1}}）}}{{8{T^2}}}^2}$，（用題中所給字母表示）．
（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往是重力勢(shì)能的減少量略大于動(dòng)能的增加量，關(guān)于這個(gè)誤差下列說(shuō)法正確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(guò)多次測(cè)量取平均值的方法來(lái)減小該誤差
D．可以通過(guò)減小空氣阻力和摩擦阻力的影響來(lái)減小該誤差
（5）某同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)重錘增加的動(dòng)能略小于重錘減少的重力勢(shì)能，于是深入研究阻力對(duì)本實(shí)驗(yàn)的影響．若重錘所受阻力為f，重錘質(zhì)量為m．重力加速度為g．他測(cè)出各計(jì)數(shù)點(diǎn)到起始點(diǎn)的距離h，并計(jì)算出各計(jì)數(shù)點(diǎn)的速度v．用實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制出可v²-h圖線，如圖3所示，圖象是一條直線，此直線斜率k=$\frac{{2（{mg-f}）}}{m}$（用題中字母表示）．已知當(dāng)?shù)氐闹亓�加速度g=9.8m/s²，由圖線求得重錘下落時(shí)受到阻力與重錘所受重力的百分比為2.0%．（保留兩位有效數(shù)字）

Answer 1

分析 根據(jù)實(shí)驗(yàn)的原理確定所需測(cè)量的物理量，從而確定所需的器材．
根據(jù)下降的高度求出重力勢(shì)能的減小量，根據(jù)某段時(shí)間內(nèi)的平均速度等于中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度求出F點(diǎn)的瞬時(shí)速度，從而得出動(dòng)能的增加量．
重力勢(shì)能的減少量略大于動(dòng)能的增加量屬于系統(tǒng)誤差，通過(guò)減小阻力的影響可以減小系統(tǒng)誤差．
根據(jù)機(jī)械能守恒得出v²-h的關(guān)系式，結(jié)合圖線斜率求出k值以及$\frac{f}{mg}$的比值．

解答 解：（1）打點(diǎn)計(jì)時(shí)器用的是交流電，實(shí)驗(yàn)中要測(cè)量距離，所以要刻度尺，根據(jù)機(jī)械能守恒定律可得$mgh=\frac{1}{2}m{v}^{2}$，質(zhì)量可以約去，可以不測(cè)量，故選：D．
（2）本實(shí)驗(yàn)就是要驗(yàn)證表達(dá)式$gh=\frac{1}{2}{v}^{2}$，所以用這一表達(dá)式算速度、算高度都是錯(cuò)誤的，都相當(dāng)于用機(jī)械能守恒驗(yàn)證機(jī)械能守恒，故A、B、C錯(cuò)誤，D正確．
故選：D．
（3）從O點(diǎn)到F點(diǎn)減少的勢(shì)能為mgh₂，增加的動(dòng)能為$△{E}_{k}=\frac{1}{2}m{v}^{2}$，根據(jù)平均速度等于中間時(shí)刻的速度，我們可以計(jì)算出F點(diǎn)的速度${v}_{F}=\frac{{h}_{3}-{h}_{2}}{2T}$，所以$△{E}_{k}=\frac{m（{h}_{3}-{h}_{2}）^{2}}{8{T}^{2}}$．
（4）重力勢(shì)能的減小量略大于動(dòng)能的增加量的原因是有阻力的存在，這種誤差是由實(shí)驗(yàn)原理造成的，不是偶然誤差，是系統(tǒng)誤差，系統(tǒng)誤差不能通過(guò)多次測(cè)量求平均來(lái)減小，所以BD正確．
（5）實(shí)際上由于阻力作用，根據(jù)動(dòng)能定理可得：（mg-f）h=$\frac{1}{2}m{v}^{2}$，化簡(jiǎn)可得${v}^{2}=\frac{2（mg-f）}{m}h$，所以圖象的斜率實(shí)際上為：k=$\frac{2（mg-f）}{m}$，所以$\frac{f}{mg}=1-\frac{k}{2g}$，
由圖象可得，k=$\frac{9.6}{0.5}=19.2$，代入解得$\frac{f}{mg}=1-\frac{k}{2g}=2%$．

故答案為：（1）D，（2）D，（3）mgh₂，${\frac{{m（{{h_3}-{h_1}}）}}{{8{T^2}}}^2}$
（4）BD，（5）$\frac{{2（{mg-f}）}}{m}$，2.0．

點(diǎn)評(píng) 明確各種實(shí)驗(yàn)儀器的使用方法和實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理是解決實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的關(guān)鍵，注意實(shí)驗(yàn)過(guò)程中盡量減小摩擦阻力的影響，同時(shí)掌握瞬時(shí)速度通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)算出，而不是理論推算，下落高度是通過(guò)刻度尺來(lái)測(cè)量而得．