高中物理粤教版第四章机械能和能源 第4章第5节验证机械能守恒定律

第五节验证机械能守恒定律一、实验目的1．会用打点计时器打下的纸带计算物体的运动速度和位移．2．探究自由落体运动物体的机械能守恒．二、实验原理让物体自由下落，在忽略阻力情况下，探究物体的机械能守恒，有两种方案探究物体的机械能守恒：1．以物体下落的起始点O为基准，测出物体下落高度h时的速度大小v，若eq\f(1,2)mv2＝mgh成立，则可验证物体的机械能守恒．2．测出物体下落高度h过程的初、末时刻的速度v1、v2，若关系式eq\f(1,2)mveq\o\al(2,2)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,1)＝mgh成立，则物体的机械能守恒．三、实验器材铁架台(带铁夹)、电磁打点计时器、低压交流电源(4～6V)、重物、毫米刻度尺、纸带(带夹子)、复写纸片、导线．一、实验步骤1．安装置：按图4­5­1将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路．图4­5­12．打纸带：将纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方．先接通电源，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落．更换纸带重复做3～5次实验．3．选纸带：选取点迹较为清晰且有两点间的距离约为2mm的纸带，把纸带上打出的两点间的距离为2mm的第一个点作为起始点，记作O，在距离O点较远处再依次选出计数点1、2、3…4．测距离：用刻度尺测出O点到1、2、3…的距离，即为对应下落的高度h1、h2、h3…二、数据处理1．计算各点对应的瞬时速度：记下第1个点的位置O，在纸带上从离O点适当距离开始选取几个计数点1、2、3…n并测量出各计数点到O点的距离h1、h2、h3…hn再根据公式vn＝eq\f(hn＋1－hn－1,2T)，计算出1、2、3、4、…n点的瞬时速度v1、v2、v3、v4…vn.2．机械能守恒验证方法一：利用起始点和第n点．从起始点到第n个计数点，重力势能减少量为mghn，动能增加量为eq\f(1,2)mveq\o\al(2,n)，计算ghn和eq\f(1,2)veq\o\al(2,n)，如果在实验误差允许的范围内ghn＝eq\f(1,2)veq\o\al(2,n)，则机械能守恒定律得到验证．方法二：任取两点A、B.从A点到B点，重力势能减少量为mghA－mghB，动能增加量为eq\f(1,2)mveq\o\al(2,B)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,A)，计算ghAB和eq\f(1,2)veq\o\al(2,B)－eq\f(1,2)veq\o\al(2,A)，如果在实验误差允许的范围内ghAB＝eq\f(1,2)veq\o\al(2,B)－eq\f(1,2)veq\o\al(2,A)，则机械能守恒定律得到验证．方法三：图像法．计算各计数点eq\f(1,2)v2，以eq\f(1,2)v2为纵轴，以各计数点到第一个点的距离h为横轴，根据实验数据绘出eq\f(1,2)v2­h图线．若在误差许可的范围内图像是一条过原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒定律．图4­5­2三、误差分析1．在进行长度测量时，测量及读数不准造成误差．2．重物下落要克服阻力做功，部分机械能转化成内能，下落高度越大，机械能损失越多，所以实验数据出现了各计数点对应的机械能依次略有减小的现象．3．由于交流电的周期不稳定，造成打点时间间隔变化而产生误差．四、注意事项1．应尽可能控制实验满足机械能守恒的条件，这就要求尽量减小各种阻力的影响，采取的措施有：(1)安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中线严格竖直，以减小摩擦阻力．(2)应选用质量和密度较大的重物，增大重力可使阻力的影响相对减小，增大密度可以减小体积，使空气阻力减小．2．纸带选取：(1)以第一个点为起点时，要验证的是eq\f(1,2)mveq\o\al(2,n)＝mghn，必须保证纸带上的第一个点为重物静止释放时打的点，所以前两个点的间距为h＝eq\f(1,2)gt2＝eq\f(1,2)×10×2m＝2mm.(2)以下落中某点为起点时，要验证的是eq\f(1,2)mveq\o\al(2,m)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,n)＝mghmn，这时选择纸带不需要满足两点间距为2mm.3．计算速度时不能用v＝gt或v＝eq\r(2gh)，否则就犯了用机械能守恒定律去验证机械能守恒的错误.实验探究1实验原理和操作步骤在“验证机械能守恒定律”的实验中，下面列出一些实验步骤：A．用天平称出重物和夹子的重量B．把重物系在夹子上C．将纸带穿过计时器，上端用手提着，下端夹上系住重物的夹子，再把纸带向上拉，让夹子靠近打点计时器静止D．把打点计时器接在学生电源的交流输出端，把输出电压调至6V(电源不接通)E．把打点计时器固定在桌边的铁架台上，使两个限位孔在同一竖直线上F．在纸带上选取几个点，进行测量和记录数据G．用秒表测出重物下落时间H．接通电源，待计时器响声稳定后释放纸带I．切断电源J．更换纸带，重新进行两次K．在三条纸带中选出较好的一条L．进行计算，得出结论，完成报告M．拆下导线，整理器材以上步骤中，不必要的有________，正确步骤的合理顺序是________(填写字母)．【解析】只为了验证机械能守恒，没必要称量重物的质量．打点计时器本身就是计时仪器，不再需要秒表．【答案】AGEDBCHIJMKFL实验探究2数据处理与误差分析某同学做验证机械能守恒定律实验时，不慎将一条挑选出的纸带的一部分损坏，损坏的是前端部分．剩下的一段纸带上各相邻点间的距离已测出标在图4­5­3中，单位是cm.打点计时器工作频率为50Hz，重力加速度g取m/s2.图4­5­3(1)重物在2点的速度v2＝________，在5点的速度v5＝________，此过程中动能增加量ΔEk＝________，重力势能减少量ΔEp＝________.由以上可得出实验结论________________________________________________________________________________________________________________________.(2)重物获得的动能往往________(A.大于B．小于C．等于)减少的重力势能，实验中产生系统误差的原因是_____________________________．(3)根据实验判断下列图像正确的是(其中ΔEk表示重物动能的变化量，Δh表示物体下落的高度)()【解析】(1)根据匀变速直线运动的规律，可以求出重物在2点的速度v2＝eq\f(＋×10－2,2×m/s＝m/s，重物在5点的速度v5＝eq\f(＋×10－2,2×m/s＝m/s，所以动能增加量为ΔEk＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,5)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,2)＝J，重物从2点到5点，重力势能减少量为ΔEp＝mgh25＝m××＋＋×10－2J＝J，由以上可得出实验结论为：在误差允许的范围内，机械能守恒．(2)由于纸