1、實驗課實驗課7 7驗證機械能守恒定律驗證機械能守恒定律-2-一、實驗目的驗證機械能守恒定律。二、實驗原理1.在只有重力做功的自由落體運動中,物體的重力勢能和動能互相轉化,但總的機械能保持不變。若物體某時刻瞬時速度為v,下落高度為h,則重力勢能的減少量為mgh,動能的增加量為 ,看它們在實驗誤差允許的范圍內是否相等,若相等則驗證了機械能守恒定律。實驗原理圖 -3-2.速度的測量:做勻變速直線運動的紙帶上某段位移中間時刻的瞬時速度等于這段位移之間的平均速度。計算打第n個點速度的方法:測出與第n個點相鄰前后點間的距離-4-三、實驗器材鐵架臺(含鐵夾)、打點計時器、學生電源、紙帶、復寫紙、導線、毫米刻

2、度尺、重物(帶紙帶夾)。四、實驗過程1.安裝置:如圖所示將檢查、調整好的打點計時器豎直固定在鐵架臺上,接好電路。-5-2.打紙帶:將紙帶的一端用夾子固定在重物上,另一端穿過打點計時器的限位孔,用手提著紙帶使重物靜止在靠近打點計時器的地方。先接通電源,后松開紙帶,讓重物帶著紙帶自由下落。更換紙帶重復做35次實驗。3.選紙帶:分兩種情況說明-6-五、實驗數(shù)據(jù)處理1.測量計算在起始點標上0,在以后各計數(shù)點依次標上1、2、3,用刻度尺測出對應下落高度h1、h2、h3。利用公式 計算出點1、點2、點3的瞬時速度v1、v2、v3。-7-8-六、誤差分析1.本實驗中因重物和紙帶在下落過程中要克服各種阻力(空

3、氣阻力、打點計時器阻力)做功,故動能的增加量Ek稍小于重力勢能的減少量Ep,即EkEp這屬于系統(tǒng)誤差。改進的辦法是調整器材的安裝,盡可能地減小阻力。2.本實驗的另一個誤差來源于長度的測量,屬偶然誤差。減小誤差的辦法是測下落距離時都從0點量起,一次將各打點對應的下落高度測量完;或者多次測量取平均值來減小誤差。3.打點計時器產生的誤差(1)由于交變電流周期的變化,引起打點時間間隔變化而產生誤差;(2)讀數(shù)點選擇不好,振動片振動不均勻,紙帶放置方法不正確引起摩擦,造成實驗誤差。-9-七、注意事項1.打點計時器要穩(wěn)定地固定在鐵架臺上,打點計時器平面與紙帶限位孔調整到豎直方向,以減小摩擦阻力。2.重物要

4、選用密度大、體積小的物體,這樣可以減小空氣阻力的影響,從而減小實驗誤差。3.實驗中,需保持提紙帶的手不動,且保證紙帶豎直,待接通電源,打點計時器工作穩(wěn)定后,再松開紙帶。4.測量下落高度時,為了減小測量值h的相對誤差,選取的各個計數(shù)點要離起始點遠一些,紙帶也不易過長,有效長度可在6080 cm之間。5.不需測出物體質量,只需驗證 即可。-10-11-考向1考向2考向3實驗原理與操作實驗原理與操作例1(2017天津卷)如圖甲所示,打點計時器固定在鐵架臺上,使重物帶動紙帶從靜止開始自由下落,利用此裝置驗證機械能守恒定律。甲 -12-考向1考向2考向3(1)對于該實驗,下列操作中對減小實驗誤差有利的是

5、()A.重物選用質量和密度較大的金屬錘B.兩限位孔在同一豎直面內上下對正C.精確測量出重物的質量D.用手托穩(wěn)重物,接通電源后,撤手釋放重物AB解析 重物選擇質量、密度較大的金屬錘,可減小空氣阻力的影響保證自由下落,故A正確。兩限位孔在同一豎直面內上下對正,減小紙帶與限位孔間的阻力,保證自由下落,故B正確。由mgh= mv2可得m的大小與實驗結論無關,故C不正確。用手拿著紙帶的上端,讓重物懸空,先接通電源,再釋放。若托重物再釋放,紙帶不繃緊,實驗誤差大,故D錯誤。-13-考向1考向2考向3(2)某實驗小組利用上述裝置將打點計時器接到50 Hz的交流電源上,按正確操作得到了一條完整的紙帶,由于紙帶

6、較長,圖中有部分未畫出,如圖乙所示。紙帶上各點是打點計時器打出的計時點,其中O點為紙帶上打出的第1個點。重物下落高度應從紙帶上計時點間的距離直接測出,利用下列測量值能完成驗證機械能守恒定律的選項有 () 乙A.OA、AD和EG的長度B.OC、BC和CD的長度C.BD、CF和EG的長度D.AC、BD和EG的長度 答案解析解析關閉要驗證機械能守恒定律,必須測出下落高度,計算相應點的瞬時速度。A項,OA段可求得OA中點速度大小,AD段可求得AD中點速度的大小,EG段可求得F點速度的大小,但不可求得各中點間的距離大小,因此無法求得相應過程中重物的重力勢能的變化量,故A項錯誤;B項,根據(jù)BC段、CD段的

7、距離可求得C點的速度大小,即可求得C點處的動能大小,由O點處動能為0,可求得OC段動能的變化量,再根據(jù)OC段距離即可求得C點處對應的重力勢能變化量,驗證機械能守恒,故B項正確;C項,根據(jù)已知BD段長度可求得C點的速度大小,已知EG長度可求得F點速度大小,進而求得C點到F點的動能變化,又因為已知CF的長度大小,可求得其重力勢能的變化量,故C項正確;D項,由AC段長度可求得B點的速度大小,BD段長度可求得C點的速度大小,EG段長度可求得F點的速度大小,但無法求得各已知速度的點間的距離大小,無法求得其重力勢能的變化量,故D項錯誤,故選B、C。 答案解析關閉BC-14-考向1考向2考向3實驗數(shù)據(jù)處理與

8、誤差分析實驗數(shù)據(jù)處理與誤差分析例2(2018江西南昌模擬)用如圖甲所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律。實驗時接通電源,質量為m2的重物從高處由靜止釋放,質量為m1的重物拖著紙帶打出一系列的點,圖乙是實驗中打出的一條紙帶,A是打下的第1個點,量出計數(shù)點E、F、G到A點距離分別為h1、h2、h3,每相鄰兩計數(shù)點的計時間隔為T,當?shù)刂亓铀俣葹間。(以下所求物理量均用已知符號表達)-15-考向1考向2考向3(1)在打點AF的過程中,系統(tǒng)動能的增加量Ek= ,系統(tǒng)重力勢能的減少量Ep=,比較Ek、Ep大小即可驗證機械能守恒定律。 (2)某同學根據(jù)紙帶算出各計數(shù)點速度,并作出 圖像如圖丙所示,若圖線的斜率

9、k=,即可驗證機械能守恒定律。 -16-考向1考向2考向3-17-考向1考向2考向3實驗探究拓展實驗探究拓展例3某同學用如圖甲所示的裝置驗證機械能守恒定律。一根細線系住鋼球,懸掛在鐵架臺上,鋼球靜止于A點。光電門固定在A的正下方,在鋼球底部豎直地粘住一片寬度為d的遮光條。將鋼球拉至不同位置由靜止釋放,遮光條經(jīng)過光電門的擋光時間t可由計時器測出,取 作為鋼球經(jīng)過A點時的速度。記錄鋼球每次下落的高度h和計時器示數(shù)t,計算并比較鋼球在釋放點和A點之間的勢能變化大小Ep與動能變化大小Ek,就能驗證機械能是否守恒。甲 -18-考向1考向2考向3(1)用Ep=mgh計算鋼球重力勢能變化的大小,式中鋼球下落

10、高度h應測量釋放時的鋼球球心到之間的豎直距離。 A.鋼球在A點時的頂端B.鋼球在A點時的球心C.鋼球在A點時的底端-19-考向1考向2考向3(2)用 計算鋼球動能變化的大小。用刻度尺測量遮光條寬度,示數(shù)如圖乙所示,其讀數(shù)為 cm。某次測量中,計時器的示數(shù)為0.010 0 s,則鋼球的速度為v= m/s。 乙 -20-考向1考向2考向3(3)下表為該同學的實驗結果: 他發(fā)現(xiàn)表中的Ep與Ek之間存在差異,認為這是由于空氣阻力造成的。你是否同意他的觀點?請說明理由。(4)請你提出一條減小上述差異的改進建議。-21-考向1考向2考向3解析 (1)因為研究對象是鋼球,鋼球下落的高度應為初末位置球心之間的豎直距離。(2)應用毫米刻度尺測長度時,測量結果應估讀到毫米的下一位,故讀數(shù)為15.0 mm=1.50 cm。據(jù)公式v= =1.50 m/s知鋼球過A點時瞬時速度為1.50 m/s。(3)若考慮空氣阻力的影響,下落過程由能量守恒定律知減少的重力勢能轉化為鋼球的動能和因克服阻力