Question

為了探究能量轉化和守恒規律，某學習研究小組設計如圖1所示裝置進行實驗．
（1）為了測定整個過程電路產生的焦耳熱，需要知道螺線管線圈的電阻．用替代法測線圈電阻R_x的阻值可用如圖2所示電路，圖中R₅為電阻箱（R₅的最大阻值大于待測電阻尺R_x的阻值），S₂為單刀雙擲開關，R₀為滑動變阻器．為了電路安全，測量前應將滑動變阻器的滑片P調至

a端

，電阻箱R₅阻值應調至

最大

（選填“最大”或“最小”）．閉合S₁開始實驗，接下來有如下一些操作，合理的次序是

CABED

（選填字母代號）：
A．慢慢移動滑片P使電流表指針變化至某一適當位置
B．將S₂閉合在1端
C．將S₂閉合在2端
D．記下電阻箱上電阻讀數
E．調節電阻箱R₅的值，使電流表指針指在與上一次指針位置相同
（2）按圖l所示裝置安裝實驗器材后，將質量為0.50kg蠅的條形磁鐵拖一條紙帶由靜止釋放，利用打點計時器打出如圖3所示的紙帶．磁鐵下落過程中穿過空心的螺線管，螺線管與10Ω的電阻絲接成閉合電路，用電壓傳感器采集數據得到電阻兩端電壓與時間的U-t 圖，并轉換為U ²-t，如圖4所示．
①經分析紙帶在打第14點時，條形磁鐵已經離線圈較遠了，打第14點時磁鐵速度為

2.0

米/秒．0-14點過程中，磁鐵的機械能損失為

0.18

焦耳．
②若螺線管線圈的電阻是90fl，又從圖4中擴一‘圖線與時間軸所圍的面積約為103格，可以計算磁鐵穿過螺線管過程中，在回路中產生的總電熱是

0.10

焦耳．
③實驗結果機械能損失與回路中電流產生的熱量相差較大，試分析其原因可能有

紙帶克服摩擦力做功；磁鐵克服空氣阻力做功；在電磁感應過程中存在電磁輻射．

．

Answer 1

分析：（1）本實驗利用了等效替代法，借助電阻箱的示數利用等效替代的方法間接測量待測電阻Rx；
如圖所示電源電壓保持不變，利用電流等效；即①先把開關S接2點，讀出電流表的示數為I（此電流為R_x、R₀共同作用的效果）；②然后再把開關S接1點，調節電阻箱，使電流表的示數仍變為原來的數值I（此電流為R、R₀共同作用的效果）；③既然R_x和R₀共同作用的效果與R、R₀共同作用的效果相同，即R_x=R．
本實驗中利用了電阻箱R阻值等效替代了待測電阻R_x，測量方法突破常規思維，非常獨特、新穎．
（2）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和加速度，從而求出動能．根據功能關系得重力勢能減小量等于重力做功的數值．
根據機械能的定義求出損失的機械能．

解答：解：（1）為了電路安全，測量前應將滑動變阻器的滑片P調至a端達最大值，電阻箱R₅阻值應調至最大．
閉合S₁開始實驗，接下來有如下一些操作，合理的次序是CABED．
（2）①利用勻變速直線運動的推論得：
打第14點時磁鐵速度為：v₁₄=

x

t

=

(38.1+42.0)mm

2×0.02s

=2.0m/s
E_k14=

1

2

mv₁₄²
重力勢能減小量：△E_p=mgh₁₄，
0-14點過程中，磁鐵的機械能損失為：△E=△E_p-E_k14=0.18J
②根據p=

U2

R

t得回路中產生的總電熱可以看成是圖線與時間軸所圍的面積比上電阻，所以在回路中產生的總電熱是0.10J．
③實驗結果機械能損失與回路中電流產生的熱量相差較大，其原因可能是紙帶克服摩擦力做功；磁鐵克服空氣阻力做功；在電磁感應過程中存在電磁輻射．
故答案是：（1）a端，最大，CABED
（2）①2.0，0.18，②0.10
③紙帶克服摩擦力做功；磁鐵克服空氣阻力做功；在電磁感應過程中存在電磁輻射．

點評：此題主要考查的是等效替代的研究方法．等效替代法是指在保證某一方面效果相同的前提下，用理想的、熟悉的、簡單的物理對象、物理過程、物理現象來替代實際的、陌生的、復雜的物理對象、物理過程、物理現象的思想方法．
紙帶問題的處理是力學實驗中常見的問題，在實驗中，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．