验证机械能守恒定律.ppt

验证机械能守恒定律,实验原理:,实验目的: 验证机械能守恒定律。,当物体自由下落时，只有重力做功，物体的重力势能和动能互相转化，机械能守恒。若某一时刻物体下落的瞬时速度为v，下落高度为h，则应有：,借助打点计时器，测出重物某时刻的下落高度h和该时刻的瞬时速度v，即可验证机械能是否守恒， 实验装置如图所示。,测定第n点的瞬时速度的方法是：测出第n点的 相邻前、后两段相等时间T内下落的距离sn和sn+1，,由公式 ，或由 算出,如图所示。,实验步骤:,实验器材: 铁架台（带铁夹），打点计时器，学生电源，导线，带铁夹的重缍，纸带，米尺。,1按如图装置把打点计时器安装在铁架台上，用导线把打点计时器与学生电源连接好。,2把纸带的一端在重锤上用夹子固定好，另一端穿过计时器限位孔，竖直提起纸带使重锤停靠在打点计时器附近，纸带上端用夹子夹住。,3接通电源，松开纸带，让重锤自由下落。,4重复几次，得到35条打好点的纸带。,5在打好点的纸带中挑选第一、二两点间的距离接近2mm，且点迹清晰的一条纸带，在起始点标上0，以后各依次标上1，2，3，用刻度尺测出对应下落高度h1、h2、h3。,7计算各点对应的势能减少量mghn和动能的增加量1/2mvn2，进行比较。,注意事项:,1打点计时器安装时，必须使两纸带限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力。,2选用纸带时应尽量挑第一、二点间距接近2mm的纸带。,3因不需要知道动能和势能的具体数值，所以不需要测量重锤的质量。,（2）若实验中所用重锤的质量为m=1kg，打点纸带如图所示，图中分别标出了点A、B、C、D到第一个点O点的距离, 且打点间隔为0.02s，则记录B点时，重锤的速度vB= ,重锤的动能Ek= ,从开始下落起至B点重锤的重力势能减小了 ,由此可得结论 .,例1用落体法验证机械能守恒定律的实验中 （1）运用公式 时对实验条件的要求是 ； ,不计阻力,物体自由下落,3.69m/s,6.82J,6.88J,在误差允许范围内动能的增加量 等于重力势能的减小量,（3）根据纸带给出的相关各点的速度v，量出下落距离h，则以v2/2为纵轴，以h为横轴作出图像应是下图中的 .,C,例2.（1）在用打点计时器验证物体自由下落过程中机械能守恒实验里，以下哪些必要的？请把它们选出来，并将它们的字母代号按操作顺序填在后面横线空白处： 。 A断开电源，取下纸带进行测量、记录 B将纸带固定在重锤上, 并把它穿过打点计时器,提升到一定高度 C接通电源，待打点计时器工作稳定后释放纸带上重锤自由下落 D用天平测出的重锤的质量 E把打点计时器固定在支架上，并接在交流低压电源两端,E B C A,（2）在“验证机械能守恒定律”的实验中，已知打点计时器所用的电源的频率为50Hz，查得当地的重力加速度为10m/s2，实验所用的重物质量为1.0kg，实验中得到一条点迹清晰的纸带，如图所示，把第一个点记作O，另选连续的四个点A、B、C、D作为测量的点。经测量知道A、B、C、D各点到O点的距离分别为62.99cm、70.18cm、77.76cm、85.73cm。根据以上数据,可知重物由O点运动到C点，重力势能的减少量等于 J,动能的增加量等于 J。（取2位有效数字）,7.8,7.6,例3、如图所示，两个质量各为m1和m2的小物块A和B，分别系在一条跨过定滑轮的软绳两端，已知m1m2。现要利用此装置验证机械能守恒定律。 （1）若选定物块A从静止开始下落的过程 进行测量,则需测量的物理量有 _ 。 物块的质量m1、m2； 物块A下落的距离及下落这段距离所用的时间； 物块B上升的距离及上升这段距离所用的时间； 绳子的长度。,或，,（2）为提高实验结果的准确程度。某小组同学对此实验提出如下建议： 绳的质量要轻； 在“轻质绳”的前提下绳子越长越好； 尽量保证物块沿竖直方向运动，不要摇晃； 两个物块的质量之差要尽可能小。 以上建议中对提高准确程度确实有作用的是_。 （3）写出一条上面没有提到的对提高实验结果准确程度有益的建议： _。,例如：对同一高度多次测量求平均值、选取受力后伸长尽量小的绳子等，,例4、与打点计时器一样，光电计时器也是一种研究物体运动情况时的常用计时仪器，如图甲所示，a、b 分别是光电门的激光发射和接收装置。 现利用如图乙所示的装置验证机械能守恒定律。方法是：在滑块上安装一遮光板，把滑块放在水平放置的气垫导轨上，通过跨过定滑轮的细绳与钩码相连，连接好1、2两个光电门，在图示位置释放滑块后，光电计时器记录下滑块上的遮光板先后通过两个光电门的时间分别为 、 。已知滑块（含遮光板）质量为M、钩码质量为m、两光电门间距为s、遮光板宽度为L、当地的重力加速度为g。,（1）用游标卡尺测量遮光板宽度，刻度如图丙所 示，读数为_mm； （2）计算滑块先后通过两个光电门时的瞬时速度 的表达式为：(用题中给定字母表示),v1_、 v2 _； （3）本实验中，用题中给定字母表示验证机械能守恒的表达式为 。,5.70,例5.在用落体法验证机械能守恒定律时，某同学按照正确的操作选得纸带如图。其中O是起始点，A、B、C是打点计时器连续打下的3个点该同学用毫米刻度尺测量O到A、B、C各点的距离,并记录在图中(单位cm)。 （1）这三个数据中不符合有效数字读数要求的是_ ，应记作 cm。,15.7,15.70,（2）该同学用质量为m的重锤在OB段的运动来验证机械能守恒，已知当地的重力加速度g=9.80m/s2，他用AC段的平均速度作为跟B点对应的物体的即时速度，则该段重锤重力势能的减少量为_，而动能的增加量为_，(均保留3位有效数字)这样验证的系统误差总是使重力势能的减少量_动能的增加量（填“大于”、“小于”或“等于”），原因是 。,（2）解：,1.22m,1.20m,大于,v是实际速度，因为有摩擦生热，减少的重力势能一部分转化为内能；,（3）另一位同学根据同一条纸带，同一组数据，也用重锤在OB段的运动来验证机械能守恒，将打点计时器打下的第一个点O记为第1个点，图中的B是打点计时器打下的第9个点因此他用vB=gt计算跟B点对应的物体的即时速度，得到动能的增加量为_，这样验证时的系统误差总是使重力势能的减少量_动能的增加量（填“大于”、“小于”或“等于”），原因是 。,（3）解：,1.23m,小于,v是按照自由落体计算的，因为有阻力，对应的下落速度比实际测得的速度要大。,练习1、某同学利用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律弧形轨道末端水平，离地面的高度为H将钢球从轨道的不同高度h处静止释放，钢球的落点距轨道末端的水平距离为s 若轨道完全光滑，s2与h的理论关系应满足s2 （用H、h表示）,解析:(1)根据机械能守恒,可得离开轨道时速度为,4Hh,由平抛运动知识可求得时间为,该同学经实验测量得到一组数据，如下表所示：,请在坐标纸上作出s2h关系图 对比实验结果与理论计算得到的s2h关系图线（图中已画出），自同一高度静止释放的钢球，水平抛出的速率 （填 “小于”或“大于”）理论值,从s2h关系图线中分析得出钢球水平抛出的速率差十分显著，你认为造成上述偏差的可 能原因是 , s2h关系图见右图示；,小于,摩擦，转动,解见下页,（4）由于客观上，轨道与小球间存在摩擦，机械能减小，因此会导致实际值比理论值小。小球的转动也需要能量维持，而机械能守恒中没有考虑重力势能转化成转动能的这一部分，也会导致实际速率明显小于“理论”速率（这一点，可能不少同学会考虑不到）。,（3）从图中看，同一h下的s2值，理论值明显大于实际值，而在同一高度H下的平抛运动水平射程由水平速率决定，可见实际水平速率小于理论速率。,练习2、某同学利用透明直尺和光电计时器来验证机械能守恒定律，实验的简易示意图如下，当有不透光物体从光电门间通过时，光电计时器就可以显示物体的挡光时间.所用的西瓯XDS-007光电门传感器可,测的最短时间为0.01ms.将挡光效果好、宽度为d3.8103m的黑色磁带贴在透明直尺上，从一定高度由静止释放，并使其竖直通过光电门.,某同学测得各段黑色磁带通过光电门的时间ti与图中所示的高度差hi，并将部分数据进行了处理，结果如下表所示。（取g9.8m/s2，注：表格中M为直尺质量） （1）请将表格中数据填写完整,4.22,4.00M或4.01M,4.01M,（2）从表格中数据可知，直尺上磁带通过光电门的瞬时速度是利用 求出的，请你简要分析该同学这样做的理由是： （3）通过实验得出的结论是： （4）根据该实验请你判断下列Ekh图象中正确的是 （ ）,瞬时速度等于极短时间或极短位移内的平均速度,在误差允许的范围内，重力势能的减少量等于动能的增加量,C,练习3、某研究性学习小组用如图（a）所示装置验证机械能守恒定律让一个摆球由静止开始从A位置摆到B位置，若不考虑空气阻力，小球的机械能应该守恒，即 直接测量摆球到达B点的速度v比较困难现让小球在B点处脱离悬线做平抛运动，利用平抛的特性来间接地测出v 如图（a）中，悬点正下方P点处放有水平放置炽热的电热丝，当悬线摆至电热丝处时能轻易被烧断，小球由于惯性向前飞出作平抛运动在地面上放上白纸，上面覆盖着复写纸，当小球落在复写纸上时，会在下面白纸上留下痕迹,用重锤线确定出A、B点的投影点N、M重复实验10次（小球每一次都从同一点由静止释放），球的落点痕迹如图（b）所示，图中米尺水平放置，零刻度线与M点对齐用米尺量出AN的高度h1、BM的高度h2，算出A、B两点的竖直距离，再量出M、C之间的距离x，即可验证机械能守恒定律已知重力加速度为g，小球的质量为m,65.0,mg(h1 h2),练习4、某实验小组利用如图甲所示的实验装置来验证钩码和滑块所组成的系统机械能守恒 （1）实验前需要调整气垫导轨底座使之水平，利用现有器材如何判断导轨是否水平？ ,接通气源，将滑块静置于气垫导轨上，若滑块基本保持静止，则说明导轨是水平的（或轻推滑块，滑块能基本做匀速直线运动）,（2）如图乙所示，用游标卡尺测得遮光条的宽度d= cm；实验时将滑块从图示位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间t=1.210-2s，则滑块经过光电门时的瞬时速度为 m/s.在本次实验中还需要测量的物理量有:钩码的质量m、 和 （文字说明并用相应的字母表示）,0.52,0.43,滑块的质量M,滑块上的遮光条初始位置到光电门的距离s,（3）本实验通过比较 和 在实验误差允许的范围内相等（用测量的物理量符号表示），从而验证了系统的机械能守恒,mgs,落下，拖动纸带通过打点计时器打出一系列的点，对纸带上的点的痕迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。,练习5、用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验所用的电源为学生电源，有交流（频率为50Hz）和直流两种输出重锤从高处由静止开始,（1）一同学按如下步骤进行实验： A用天平测量出重锤的质量； B按图示的装置安装器件； C将打点计时器接到电源的直流输出端上； D先接通电源，后释放悬挂纸带的夹子，打出一条纸带； E换用纸带，重复步骤 D； F选取合适的纸带； G测量所选纸带上某些点之间的距离； H根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能。 指出其中没有必要进行的步骤是 ；操作不恰当的步骤是 。,A,C,（2）利用这个装置也可以测量重锤的加速度数值。这位同学打出的纸带如图所示，A点为打下的第一个点，0、1、2、3、4、5、6为连续的计数点，现测得s1、s2、s3、s4、s5、s6分别为4.03 cm、4.42 cm、4.80 cm、5.18 cm、5.57 cm、5.95 cm，请你根据这条纸带推算此落体过程的加速度a为 m/s2。(保留三位有效数字),解：,9.58,（3）某同学根据第(2)问求得的加速度数值计算重力势能的变化量EP ，验证机械能守恒定律。试分析其合理性。 。,答：不合理由于阻力的存在，第（2）问中求得的结果不是当地的重力加速度，不能用它来计算重力势能的改变量,练习6、 用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验所用的电源为学生电源，输出电压为6V的交流电和直流电两种。重锤从高处由静止开始下落，重锤上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点痕进行测量，即可验证机械能守恒定律。 （1）（4分）下面列举了该实验的几个操作步骤： A. 按照图示的装置安装器件； B. 将打点计时器接到电源的“直流输出”上； C. 用天平测出重锤的质量； D. 释放悬挂纸带的夹子，同时接通电源 开关打出一条纸带；,E. 测量纸带上某些点间的距离； F. 根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能。 其中没有必要进行的或者操作不当的步骤，将其选项对应的字母填在下面的空行内，并说明其原因。 .,答：,步骤B是错误的。应该接到电源的交流输出端。步骤D是错误的，应该先接通电源，待打点稳定后再释放纸带。步骤C不必要，因为根据测量原理，重锤的动能和势能中都包含了质量m，可以约去。,（2）利用这个装置也可以测量