Question

用如圖所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律．實驗所用的電源為學生電源，輸出電壓為6V的交流電和直流電兩種．重錘從高處由靜止開始下落，重錘上拖著的紙帶打出一系列的點，對下圖紙帶上的點痕進行測量，即可驗證機械能守恒定律．

（1）下面列舉了該實驗的幾個操作步驟：
A．按照圖示的裝置安裝器件；
B．將打點計時器接到電源的“直流輸出”上；
C．用天平測出重錘的質量；
D．先接通電源，后釋放紙帶，打出一條紙帶；
E．測量紙帶上某些點間的距離；
F．根據測量的結果計算重錘下落過程中減少的重力勢能是否等于增加的動能．
其中沒有必要進行的步驟是______，操作不當的步驟是______．
（2）利用這個裝置也可以測量重錘下落的加速度a的數值．根據打出的紙帶，選取紙帶上的連續的五個點A、B、C、D、E，測出各點之間的距離如下圖所示．使用交流電的頻率為f，則計算重錘下落的加速度的表達式a=______．（用s₁、s₂、s₃、s₄及f表示）
（3）在驗證機械能守恒定律的實驗中發現，重錘減小的重力勢能總是大于重錘增加的動能，其主要原因是重錘和紙帶下落過程中存在阻力作用，可以通過該實驗裝置測阻力的大小．若已知當地重力加速度為g，還需要測量的物理量是______．試用這些物理量和紙帶上的數據符號表示重錘和紙帶在下落的過程中受到的平均阻力大小F=______．

Answer 1

【答案】分析：根據實驗的原理確定實驗中不必要的步驟以及錯誤的步驟；根據勻變速直線運動中在連續相等時間內的位移之差是一恒量，運用逐差法求出加速度的大小．根據牛頓第二定律求出平均阻力的大小，從而確定測量的物理量．
解答：解：（1）關于重錘的質量可測也可不測，因為物體的質量在驗證機械能守恒定律的實驗中可以約去，所以沒有必要的步驟是C．打點計時器應接交流電源，所以操作不當的步驟是B．
（2）根據勻變速直線運動的推論知，，，則加速度a=．
（3）根據牛頓第二定律得，mg-f=ma，則f=mg-ma=．知還需要測量的物理量是重錘的質量m．
故答案為：（1）步驟C不必要；步驟B是錯誤的．
（2）
（3）重錘的質量m，
點評：紙帶問題的處理是力學實驗中常見的問題．我們可以紙帶法實驗中，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和加速度．