Question

3．某同学探究小磁铁在铜管中下落时受电磁阻尼作用的运动规律．实验装置如图甲所示，打点计时器的电源为50Hz的交流电．

（1）下列实验操作中，不正确的有CD．
A．将铜管竖直地固定在限位孔的正下方
B．纸带穿过限位孔，压在复写纸下面
C．用手捏紧磁铁保持静止，然后轻轻地松开让磁铁下落
D．在磁铁下落的同时接通打点计时器的电源
（2）该同学按正确的步骤进行实验（记为“实验①”），将磁铁从管口处释放，打出一条纸带，取开始下落的一段，确定一合适的点为O点，每隔一个计时点取一个计数点，标为1，2，…，8．用刻度尺量出各计数点的相邻两计时点到O点的距离，记录在纸带上，如图乙所示．
计算相邻计时点间的平均速度v，粗略地表示各计数点的速度，抄入下表．请将表中的数据补充完整．

位置	1	2	3	4	5	6	7	8
v（cm/s）	24.5	33.8	37.8		39.5	39.8	39.8	39.8

（3）分析上表的实验数据可知：在这段纸带记录的时间内，磁铁运动速度的变化情况是逐渐增大到39.8cm/s；磁铁受到阻尼作用的变化情况是逐渐增大到等于重力．
（4）该同学将装置中的铜管更换为相同尺寸的塑料管，重复上述实验操作（记为“实验②”），结果表明磁铁下落的运动规律与自由落体运动规律几乎相同．请问实验②是为了说明什么？对比实验①和②的结果可得到什么结论？

Answer 1

分析 （1）小磁铁竖直下落，做的是直线运动，根据打点计时器的使用方法可以判断选项的结果；
（2）分析表中实验数据，根据实验数据得出结论；
（3）塑料管不会产生电磁感应现象，与铜管中运动的情况对比明显；
（4）比较两实验，根据实验条件与实验现象得出结论．

解答 解：（1）本实验的目的是研究小磁铁在铜管中下落时受电磁阻尼作用的运动规律，故实验中必须保证小磁铁除受重力、磁力外不受其他力的作用，故铜管需竖直地固定在限位孔正下方以保证磁铁在下落过程中不与铜管摩擦与碰撞，A正确．纸带穿过限位孔可以保证纸带的正确方位，置于复写纸下面可以保证打点清晰，B正确．释放纸带前应手提纸带上端使纸带竖直，小磁铁静止，故C错误．释放小磁铁前应先接通打点计时器的电源，待其工作稳定后方可放开纸带，D错误．
（2）由图乙可得v₄=$\frac{5.60-4.04}{2×0.02}$ cm/s=39.0cm/s．
（3）由表中数据可以看出，磁铁运动的速度在相等时间内的增量逐渐减小，最终保持39.8cm/s的速度不变，即磁铁运动中加速度逐渐减小，最终为零，则由mg-f=ma知阻尼作用逐渐增大直到等于重力．
（4）由实验可知，磁铁在铜管中受到阻尼作用，磁铁在塑料管中不会产生电磁感应现象，不受阻尼作用的影响，对比实验①和②可知，磁铁在铜管中受到的阻尼作用主要是电磁阻尼作用．
故答案为：（1）CD；（2）39.0；（3）逐渐增大到39.8cm/s，逐渐增大到等于重力；（4）为了说明磁铁在塑料管中几乎不受阻尼作用；磁铁在铜管中受到的阻尼作用主要是电磁阻尼作用．

点评 本题通过实验考查对纸带运动情况的分析以及对电磁感应现象理解，要能根据纸带的运动情况分析电磁感应对运动情况的影响，抓住实验的本质即可分析本题．对于陌生实验不用紧张，能过认真分析明确实验原理，再结合所学知识即可求解．