Question

1．某同学为验证“机械能守恒定律”，现有如图甲所示的装置图．

（1）如图甲所示装置图中已有的器材外：请在如下四个选项中挑选完成本实验所必须的实验器材AC
A．刻度尺                      B．秒表
C．游标卡尺                    D．纸带
（2）补齐器材后，某同学按照正确的实验步骤完成本次实验．实验测得光电门与电磁铁下端间距为47.55cm，小钢球直径如图乙所示，为7.4mm，钢球经过光电门时间为2.43ms已知当地重力加速度的值为9.80m/s²（重物质量为m）
①重力势能减少量是4.66mJ，动能增加量是4.65mJ
②请述说实验结论实验误差范围内，重物自由下落过程机械能守恒．

Answer 1

分析 根据实验原理可知，该实验不需要秒表测量时间，打点计时器能计算时间，同时也不需要纸带，利用平均速度等于中时刻瞬时速度，即可求解球的瞬时速度；
解决本题的关键掌握游标卡尺读数的方法，主尺读数加上游标读数，不需估读．
 根据某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度求出计数点B的速度，从而得出动能的增加量，根据下落的高度求出重力势能的减小量，结合动能增加量和重力势能减小量的关系判断机械能是否守恒．

解答 解：（1）根据重物下落过程中机械能守恒的表达式可知，需要测量长度，求得下落的高度，并且利用平均速度等于中时刻瞬时速度，那么还需要游标卡尺，测量球的直径，对于秒表，不需要，因计点计时器能算出时间，而纸带也不需要，通过球经过光电门来算出瞬时速度大小，故AC正确，BD错误．
（2）游标卡尺的主尺读数为：0.7cm=7mm，游标尺上第4×2个刻度和主尺上某一刻度对齐，所以游标读数为8×0.05mm=0.40mm，
所以最终读数为：7mm+0.40cm=7.40mm．
①重力势能减小量△E_p=mgh=m×9.8×47.55×10^-2 J=4.66mJ．
物体通过光电门的速度v=$\frac{d}{t}$=$\frac{7.4×1{0}^{-3}}{2.43×1{0}^{-3}}$m/s=3.05m/s．
从起点到光电门的过程中物体的动能增加量△E_K=$\frac{1}{2}m{v}^{2}$=$\frac{1}{2}$×m×3.05²=4.65mJ；
②在误差允许的范围内，重力势能的减小量与动能的增加量相等，知物体在下落过程中机械能守恒．
故答案为：（1）AC；
（2）7.4，①4.66m； 4.65m；
②实验误差范围内，重物自由下落过程机械能守恒．

点评 解决本题的关键掌握验证机械能守恒定律的实验的原理，知道需要测量哪些量，需要哪些器材．
对于基本测量仪器如游标卡尺、螺旋测微器等要了解其原理，要能正确使用这些基本仪器进行有关测量．同时要掌握纸带的处理方法，会通过纸带求解瞬时速度，从而得出动能的增加量．