驗(yàn)證機(jī)械能守恒

1、運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)的研究 物理學(xué)1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、了解電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的構(gòu)造和使用方法； 2、掌握從電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶記錄得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法； 3、學(xué)會(huì)利用電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器判斷物體是否勻變速直線運(yùn)動(dòng)； 4、掌握使用電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測定勻變速直線運(yùn)動(dòng)的加速度的方法。2、 實(shí)驗(yàn)器材 J01207電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、毫米刻度尺、一端附有滑輪的長木板、小車、細(xì)繩、鉤碼、刻度尺、重物（附紙帶夾子）、鐵架臺(tái)（附夾子）。3、 電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器簡介 電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，打點(diǎn)時(shí)間間隔是0.02S，因此，打在紙帶上的點(diǎn)，記錄了紙帶運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。如果把紙帶跟運(yùn)動(dòng)物體連接在一起，紙帶的點(diǎn)跡就相

2、應(yīng)地表示出運(yùn)動(dòng)物體在不同時(shí)刻的位置。研究紙帶上的點(diǎn)跡之間的間隔。就可以了解運(yùn)動(dòng)物體在不同時(shí)間里發(fā)生的位移，從而了解物體運(yùn)動(dòng)的情況。4、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1） 研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)1、 實(shí)驗(yàn)原理設(shè)物體做勻變速直線運(yùn)動(dòng)，初速度為，加速度是a。在各個(gè)T內(nèi)的位移分別是s1、s2、s3則有：因此可以得到連續(xù)相等的時(shí)間，內(nèi)的位移差是：根據(jù)該式即可判斷物體是否做勻變速直線運(yùn)動(dòng)。2、 實(shí)驗(yàn)步驟（1） 把附有滑輪的長木板平放在實(shí)驗(yàn)桌上，并使滑輪伸出桌面。把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在長木板上沒有滑輪的一端，連接好電路。（2） 把細(xì)繩一端掛在合適的鉤碼，另一端拴在小車上，使細(xì)繩跨過滑輪。把紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，并將紙帶的一端固定

3、在小車后面。（3） 把小車?？吭诖螯c(diǎn)計(jì)時(shí)器處，接通電源待打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)穩(wěn)定后再釋放小車，讓小車拖著紙帶運(yùn)動(dòng)，紙帶上會(huì)留下打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的一列小點(diǎn)。（4） 換上新紙帶：按步驟3重復(fù)實(shí)驗(yàn)幾次，從打上點(diǎn)的紙帶中找出一條理想的紙帶作為分析、求出加速度用。（5） 處理所選的被打上點(diǎn)的紙帶。為研究方便與提高所得結(jié)果的精確度，應(yīng)去掉開頭一些比較密集的點(diǎn)子，在后邊便于測量位置的地方找出一個(gè)起始點(diǎn)。通常用打五次點(diǎn)的時(shí)間作為時(shí)間單位，即相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)，所表示的時(shí)間間隔為，T=5×0.02S=0.10S。在選好的開始點(diǎn)下面標(biāo)明計(jì)數(shù)點(diǎn)0、1、2、3、4注意數(shù)清楚計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)計(jì)點(diǎn)的數(shù)目，兩個(gè)相鄰點(diǎn)間的距離分別是s

4、1、s2、s3、s4（6） 分別測出六段位移s1、s2、s3、s4、s5、s6的長度，把測量的結(jié)果填入下表中。（7） 根據(jù)測量結(jié)果，利用實(shí)驗(yàn)原理中的方法算出物體的加速度。3、實(shí)驗(yàn)研究1) 做好實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵如下：a) 紙帶安置要正確。在使用電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，復(fù)寫紙應(yīng)裝在紙帶的三面，每打完一條紙帶，將定位軸上的復(fù)寫紙換一個(gè)位置，以確保點(diǎn)是清晰的。b) 細(xì)繩應(yīng)盡可能與長木板平行，要放置好小車，使細(xì)繩拉力方向與小車、紙帶的運(yùn)動(dòng)方向一致，否則隨著小車向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，細(xì)繩對(duì)小車的拉力變化甚大，以至小車不可以看作是勻變速直線運(yùn)動(dòng)。c) 細(xì)繩上所掛的鉤碼要適當(dāng)，是加速度的大小適當(dāng)，以保證測量方便與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確

5、性。一般要以紙帶上長約50cm的范圍內(nèi)能清楚地取78個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)為宜。d) 應(yīng)先接通電源，帶打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)穩(wěn)定后再釋放小車。開始釋放小車時(shí)，應(yīng)使小車靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器。為防止鉤碼落地后被砸壞，以及小車與定滑輪相撞而被損壞，可以在鉤碼落地處放置軟墊或沙箱，在小車到達(dá)定滑輪前用手接住或放置泡沫塑料擋板來防止損壞。此外，紙帶打完后要及時(shí)斷開電源。2) 本實(shí)驗(yàn)中阻力是客觀存在，不可避免的，這是實(shí)驗(yàn)的主要理論誤差?？諝獾淖枇εc運(yùn)動(dòng)物體體積、速度有關(guān)，且速度越大，阻力越大，體積越大，阻力也越大。細(xì)繩與定滑輪之間的摩擦力隨它們之間的壓力變大而變大，因此在滿足打點(diǎn)要求的前提下，不應(yīng)掛太重的鉤碼，還可以加潤滑油以減小摩

6、擦系數(shù)，從而減小阻力的目的。3) 求得的加速度的精確程度與時(shí)間和長度測量的準(zhǔn)確度密切相關(guān)。本實(shí)驗(yàn)主要的測量誤差就是長度測量的誤差，因此可讀此的最小分度值較小為宜，一般精度達(dá)到毫米級(jí)，就可以使實(shí)驗(yàn)誤差較小了。另一影響結(jié)果的時(shí)T值是否準(zhǔn)確，故該實(shí)驗(yàn)應(yīng)在電源頻率穩(wěn)定的條件下來做，在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)先檢查計(jì)時(shí)器打點(diǎn)周期的穩(wěn)定性。在使用電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，可采用自由落體運(yùn)動(dòng)的紙帶來檢驗(yàn)打點(diǎn)周期的等時(shí)性。4) 實(shí)驗(yàn)中，鉤碼的作用是對(duì)小車施加動(dòng)力，讓其作加速運(yùn)動(dòng)，在求加速度時(shí)并未用到動(dòng)力大小，而是運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)，因而換上其它未知質(zhì)量的物體代替砝碼是完全可以的。(二)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)1、 實(shí)驗(yàn)原理機(jī)械能守恒定

7、律告訴我們：在重力作用下，物體的重力勢能和動(dòng)能可以互相轉(zhuǎn)化，但總的機(jī)械能守恒。當(dāng)物體自由下落時(shí)，它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上進(jìn)行記錄，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上直接記錄了物體下落的時(shí)間及下落的高度，根據(jù)紙帶記錄的數(shù)據(jù)可算出物體的動(dòng)能增加量,及物體的重力勢能減少量。若在實(shí)驗(yàn)允許的誤差范圍內(nèi)，這兩個(gè)變化量相等，那么機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證。2、 實(shí)驗(yàn)步驟（1） 將電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器豎直地固定在鐵夾臺(tái)支架上。（2） 將紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，紙帶下端固定在重物上。（3） 先用手豎直地提著紙帶末端，使重物靜止在靠近計(jì)時(shí)器的地方。（4） 接通電源，松開紙帶，讓重物自由落下，計(jì)時(shí)器就在紙帶上打下了一系列小點(diǎn)。（5

8、） 重復(fù)實(shí)驗(yàn)幾次，從幾條打上點(diǎn)的紙帶中挑選第一、二兩點(diǎn)間的距離接近2mm，且點(diǎn)跡清晰的紙帶進(jìn)行測量。（6） 識(shí)下第一個(gè)點(diǎn)的位置O，在紙帶上選取方便的5個(gè)連續(xù)點(diǎn)1、2、3、4用刻度尺測出各點(diǎn)到位置O的距離h1/h2.查找當(dāng)?shù)豨的取值。（7） 用公式計(jì)算各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度、.（8） 計(jì)算各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的動(dòng)能增加量和勢能減少量mgh。（9） 將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)填入自己設(shè)計(jì)的表格內(nèi)，分析比較各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的勢能減少量和動(dòng)能的增加量是否相等，比較的結(jié)果是否能驗(yàn)證機(jī)械能守恒。（10） 分析誤差原因。3、 注意事項(xiàng)1 為了小紙帶與計(jì)時(shí)器的摩擦，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器要豎直架穩(wěn)，使其兩限位孔器在同一豎直平面內(nèi)上。手提紙帶的末端，使紙帶

9、垂直穿過計(jì)時(shí)器（最好找一個(gè)豎直參照物進(jìn)行比較）。2 為了保證起始點(diǎn)清晰且初速度為零，要求用手提著紙帶，是重物靜止在靠近在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的地方，然后接通電源，待打點(diǎn)計(jì)時(shí)器響聲穩(wěn)定后，松開紙帶。3 測量下落高度是，從起點(diǎn)算起。為了減小測量高度h值得相對(duì)誤差，選取的各個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)宜離起始點(diǎn)遠(yuǎn)點(diǎn)些。紙帶不需要過長，長約40cm即可。4 比較重物各點(diǎn)的動(dòng)能增加量與勢能減少量，由于阻力對(duì)重物及紙帶做功，前者略小于后者是符合實(shí)際情況的。4、 實(shí)驗(yàn)研究本實(shí)驗(yàn)要求挑選的紙帶第一、二兩點(diǎn)間的距離接近為2mm,且點(diǎn)跡清晰，這種紙帶第一個(gè)點(diǎn)的初速度為零，初動(dòng)能為零，故第一個(gè)點(diǎn)的動(dòng)能（為零）較為準(zhǔn)確，以該點(diǎn)的機(jī)械能作為參考點(diǎn)的

10、機(jī)械能相對(duì)合理。若紙帶開頭幾個(gè)點(diǎn)跡不清晰，無法選第一店作為參考點(diǎn)，也可在紙帶上任選一個(gè)比較清晰的點(diǎn)（如P點(diǎn)）作為參考點(diǎn)，根據(jù)紙帶數(shù)據(jù)計(jì)算出P點(diǎn)的動(dòng)能，量出任一點(diǎn)M（M在P點(diǎn)之后打出）與P點(diǎn)的距離，計(jì)算出M點(diǎn)的動(dòng)能，只要驗(yàn)證關(guān)系式成立，即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒。但是，若作為參考點(diǎn)P的速度有誤差，會(huì)帶來參考點(diǎn)機(jī)械能較大的誤差，參考點(diǎn)本身的機(jī)械能誤差大了，機(jī)械能守恒關(guān)系也就很難驗(yàn)證了。實(shí)際操作時(shí)，按實(shí)驗(yàn)規(guī)則先接通電源，再松開紙帶，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶大多數(shù)第一、二點(diǎn)間的距離明顯小于2mm。為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況呢？其原因有二：其一是紙帶及重物受阻力作用，重物的加速度小于g，故第一、二兩點(diǎn)間的距離自然也就小于2mm了。其二是紙帶下落與打點(diǎn)不同步，重物在計(jì)時(shí)器打第一個(gè)點(diǎn)與第二個(gè)點(diǎn)之間開始下落，紙帶上雖出現(xiàn)了第二個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)，但重物下落的時(shí)間小于0.02s（電源頻率為50Hz），第一、第二