驗證機械能守恒定律實驗的幾種常見設計(共8頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上驗證機械能守恒定律實驗的幾種常見設計陜西省寶雞市陳倉區(qū)教育局教研室邢彥君在不涉及彈性勢能時，機械能守恒的條件是，在物體系統(tǒng)的運動過程中只有重力做功。這時只是重力勢能與動能的相互轉化，系統(tǒng)增加（或減?。┑闹亓菽艿扔跍p少（或增加）的動能。要用實驗驗證這一關系，需測出運動過程中物體系統(tǒng)內各物體的高度變化，從而計算系統(tǒng)重力勢能的變化量，這可以用刻度尺測量。測需要測出系統(tǒng)中各物體的初、末速度，從而計算系統(tǒng)動能的變化量，這可以用打點計時器、光電門、速度傳感器等測量，也可以利用其它物理規(guī)律測量。 完成此實驗，一是機械能守恒條件的創(chuàng)設，即讓無彈性形變的物體系統(tǒng)只受重力這一

2、外力的作用，或雖有非重力作用，但它們不做功；二是測算出運動過程中兩個狀態(tài)間系統(tǒng)減少的重力勢能與增加的動能；三是比較與在誤差范圍內是否相等。由于空氣阻力及摩擦力的不可避免，總有>。 一、利用打點計時器進行驗證 1物體做自由落運動 一般以重錘從自由落體運動開始時刻（紙帶上的第一個點）到此后的某一適當時刻（紙帶上最后一個點之前的某點）進行研究。實驗時，先接通打點計時器電源再釋放紙帶，在打出的紙帶中，選取第一、二點間距最接近2mm的紙帶進行測量。測出第0點到第n點的距離L，則重錘重力勢能的減少量為；打出這兩點的時間間隔為t=n/f（f是交流電的頻率），由勻變速直線運

3、動平均速度的推論、平均速度的定義式及，可知打第n點時重錘的瞬時速度為，重錘動能的增量為。由于要比較是否相等的與都是m的倍數(shù)，所以本實驗不需要測量重錘的質量。 例1某同學用圖1（a）所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律。已知打點計時器所用電源的頻率為50Hz，當?shù)刂亓铀俣葹間=9.80m/s2。實驗中該同學得到的一條點跡清晰的完整紙帶如圖1（b）所示。紙帶上的第一個點記為O，另選連續(xù)的三個點A、B、C進行測量，圖中給出了這三個點到O點的距離hA、hB和hC的值?；卮鹣铝袉栴}（計算結果保留3位有效數(shù)字）（1）打點計時器打B點時，重物速度的大小vB=   

4、60;  m/s；（2）通過分析該同學測量的實驗數(shù)據，他的實驗結果是否驗證了機械能守恒定律？簡要說明分析的依據。  答案：3.90 m/s，能驗證。 解析：由勻變速直線運動一段時間里的平均速度等于這段時間的重點時刻的瞬時速度的推論可知：m/s=3.90 m/s。則從重錘開始下落道打出點B，重錘增加的動能，減少的重力勢能為。由于近似等于，因此該實驗驗證了機械能守恒定律。 【點評】該實驗中，由于紙帶的阻力、空氣阻力的存在，重錘減少的重力勢能大于增加的動能。 2兩物體系統(tǒng)在豎直方向的勻加速運動 利用圖2所示實驗裝置，可驗證m1、m

5、2（m1<m2）組成的系統(tǒng)機械能是否守恒。讓m2從高處由靜止開始下落，兩物體均做勻加速直線運動， m1拖著的紙帶將被打出一系列的點。若先接通打點計時器電源，然后釋放m2，測出紙帶上第0點到第n點的距離L，則系統(tǒng)重力勢能的減少量為；打出所研究的兩點的時間間隔為t=n/f（f是交流電的頻率），打第n點時的兩物體的瞬時速度均為，則系統(tǒng)動能的增量為。由于要比較是否相等的與的表達式是兩物體質量的不同組合，所以本實驗需要測量兩物體各自的質量。  例2如圖3所示，兩個質量各為m1和m2的小物塊A和B，分別系在一條跨過定滑輪的軟繩兩端，已知m1m2，現(xiàn)要利用此裝置驗證機械能守恒定律。

6、 （1）若選定物塊A從靜止開始下落的過程進行測量，則需要測量的物理量有          。 物塊的質量m1、m2；物塊A下落的距離及下落這段距離所用的時間；物塊B上升的距離及上升這段距離所用的時間；繩子的長度。 （2）為提高實驗結果的準確程度，某小組同學對此實驗提出以下建議：繩的質量要輕：在“輕質繩”的前提下，繩子越長越好；盡量保證物塊只沿豎直方向運動，不要搖晃；兩個物塊的質量之差要盡可能小。 以上建議中確實對提高準確程度有作用的是  

7、0;            。 （3）寫出一條上面沒有提到的提高實驗結果準確程度有益的建議：                。  答案：（1）； 解析：本實驗是通過比較物體系統(tǒng)運動中，減少的重力勢能與增加的動能是否相等，來驗證機械能守恒定律。因此，本實驗應以m1、m2及連繩整體作為研究對象。實驗中，

8、由靜止釋放m1后，三者一同在向下合力作用下，勻加速運動。若能測出兩物體的質量，m1下降的距離或m2上升的距離s，測出運動的時間t，可由勻變速直線運動的平均速度公式算知物體的末速度v，最后求得整體減少的重力勢能和增加的動能，看二者是否相等。 上述分析的前提是不計空氣的阻力，不計滑輪的摩擦，不計繩的質量及形變。這樣就要求繩子越輕越好，彈性越小越好，不宜太長，長了形變對實驗的影響越大。m1、m2相差越大，整體所受阻力相對于合力對運動的影響越小。這些都是減小系統(tǒng)誤差，提高實驗準確程度的做法。 【點評】實驗問題的分析，關鍵是實驗原理。 3小車在滑板上的勻加速運動 

9、如圖4所示裝置中，測出小車質量M和小桶與沙的總質量m，安裝好儀器器材后，使滑板適當傾斜以平衡滑動摩擦力，平衡掉滑動摩擦力以后，就相當于不受摩擦力的作用。先接通電源，再釋放小車，從打出的紙帶上，選出兩個適當點進行測量與計算。以小車、沙桶系統(tǒng)為研究對象，測出兩點距離L，則系統(tǒng)減少的重力勢能為：；利用勻變速直線運動“一段時間的中點時刻的速度等于這段時間里的平均速度”的推論及平均速度的定義，可算出打出所選的兩點時小車及沙桶的速度v1、v2，系統(tǒng)增加的動能為：。  二、利用光電門進行驗證 如圖5所示，將氣墊導軌傾斜放置，滑塊在自身重力作用下沿導軌（光滑斜面）勻加速下滑。a、

10、b為固定在導軌上的兩個光電門，利用與其連接的光電計時器，可測出滑塊通的時間t，利用游標卡尺測出滑塊上遮光條的寬度d，可算出滑塊經過光電門的速度為，這樣就可以計算出物體在兩個光電門間運動時動能的增加量。測出兩光電門中心間距L，導軌兩端的水平距離C，兩端的高度差h，可計算出物體在兩個光電門間運動時重力勢能的減少量為：。若滑塊經過兩個光電門的時間分別為t1、t2，則滑塊動能增加量為：。  三、利用平拋運動進行驗證 圖6裝置中，光滑弧形軌道豎直置于高度為h的桌面，軌道下端切線保持水平，將小滑塊從軌道上距桌面H高度處由靜止釋放，滑塊離開軌道后平拋運動落至地面，測出落點與軌道

11、下端的水平距離s，由平拋運動公式可算知滑塊離開軌道時的速度為?；瑝K從釋放到離開軌道，減少的重力勢能為：，增加的動能為：。  例3利用圖6裝置可驗證機械能守恒定律。光滑弧形軌道豎直置于高度為h的桌面，軌道下端切線保持水平。 （1）將小滑塊從軌道上距桌面H高度處由靜止釋放，滑塊離開軌道后平拋運動落至地面，測出落點P與軌道下端的水平距離s。若小滑塊質量為m，則滑塊從釋放到經過軌道末端，減少的重力勢能EP=      ，增加的動能Ek=       ； 

12、（2）由于阻力，實驗中利用實驗數(shù)據算出的EP和對應的Ek之間的關系是：EP    Ek（>、=、<）。 （3）上述實驗中，也可改變H，多次重復操作，測出H和對應的s，如機械能守恒，則H和s滿足關系式H=       。 （4）某同學以H為橫軸、s2為縱軸，利用測得的H和對應的s數(shù)據，在坐標平面描點連線得到了滑塊運動的H-s2圖像，若圖像是        （過原點的傾斜直線、過原點的曲線），則證明滑塊在軌道上運動時         。 答案：（1），（3分）；（2）>；（3）=；（4）過原點的傾斜直線，機械能守恒。 解析：由平拋運動公式可算知滑塊離開軌道時的速度為?；瑝K從釋放到離開軌道，減少的重力勢能為：，增加的動能為：；由于摩擦及空氣阻力，小球在軌道上運動時，克服阻力做功，EP>Ek；若機械能守恒，則有EP=Ek，即=。解得：=。由此可知 H-s2圖像為過原點的傾斜直線。 【點評】注意將與實驗原理有關的非線性關系式改造成線性關系式。