實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律

1、5.9實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律班級(jí)_姓名_學(xué)號(hào)_學(xué)習(xí)目標(biāo): 1. 學(xué)會(huì)利用自由落體運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。2. 進(jìn)一步熟練掌握應(yīng)用計(jì)時(shí)器打紙帶研究物體運(yùn)動(dòng)的方法。學(xué)習(xí)重點(diǎn): 1. 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)原理和步驟。2. 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)。學(xué)習(xí)難點(diǎn): 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)。 主要內(nèi)容:一、實(shí)驗(yàn)原理 物體在自由下落過(guò)程中，重力勢(shì)能減少，動(dòng)能增加。如果忽略空氣阻力，只有重力做功，物體的機(jī)械能守恒，重力勢(shì)能的減少等于動(dòng)能的增加。設(shè)物體的質(zhì)量為m，借助打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下紙帶，由紙帶測(cè)算出至某時(shí)刻下落的高度h及該時(shí)刻的瞬時(shí)速度v；進(jìn)而求得重力勢(shì)能的減少量Ep=mgh和動(dòng)能的增加量

2、EK=1/2mv2；比較Ep和EK，若在誤差允許的范圍內(nèi)相等，即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒。測(cè)定第n點(diǎn)的瞬時(shí)速度vn：依據(jù)“物體做勻變速直線運(yùn)動(dòng)，在某段時(shí)間內(nèi)的平均速度等于這段時(shí)間中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度”，用公式vn=（hn+1-hn-1）/2T計(jì)算(T為打下相鄰兩點(diǎn)的時(shí)間間隔)。二、實(shí)驗(yàn)器材 電火花計(jì)時(shí)器(或電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器)，交流電源，紙帶(復(fù)寫紙片)，重物(帶紙帶夾子)，導(dǎo)線，刻度尺，鐵架臺(tái)(帶夾子)。三、實(shí)驗(yàn)步驟 (1)按圖裝置固定好計(jì)時(shí)器，并用導(dǎo)線將計(jì)時(shí)器接到電壓合適的交流電源上(電火花計(jì)時(shí)器要接到220 V交流電源上，電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器要接到4 V6 V的交流低壓電源上)。 (2)將紙帶的一端用小夾子

3、固定在重物上，使另一端穿過(guò)計(jì)時(shí)器的限位孔，用手豎直提著紙帶，使重物靜止在靠近計(jì)時(shí)器的地方。 (3)接通電源，松開紙帶，讓重物自由下落，計(jì)時(shí)器就在紙帶上打下一系列小點(diǎn)。 (4)換幾條紙帶，重做上面的實(shí)驗(yàn)。 (5)從幾條打上了點(diǎn)的紙帶上挑選第一、二兩點(diǎn)間的距離接近2 mm且點(diǎn)跡清晰的紙帶進(jìn)行測(cè)量。(6)在挑選出的紙帶上，先記下打第一個(gè)點(diǎn)的位置0(或A)，再任意選取幾個(gè)點(diǎn)1、2、3(或B、C、D)等，用刻度尺量出各點(diǎn)到0的距離h1、h2、h3等，如圖所示。(7)用公式vn=（hn+1-hn-1）/2T計(jì)算出各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度v1、v2、v3等。(8)計(jì)算出各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的勢(shì)能減少量mghn和動(dòng)能的增加量1

4、/2mvn2的值，進(jìn)行比較，得出結(jié)論。四、實(shí)驗(yàn)記錄五、實(shí)驗(yàn)結(jié)論 在只有重力做功的情況下，物體的重力勢(shì)能和動(dòng)能可以相互轉(zhuǎn)化，但機(jī)械能的總量保持不變。六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) (1)計(jì)時(shí)器要豎直地架穩(wěn)、放正。架穩(wěn)就是要牢固、穩(wěn)定。重物下落時(shí)它不振動(dòng)；放正就是使上下兩個(gè)限位孔在同一豎直平面內(nèi)一條豎直線上與紙帶運(yùn)動(dòng)方向相同，以減小紙帶運(yùn)動(dòng)時(shí)與限位孔的摩擦(可用手提住固定好重物的紙帶上端，上下拉動(dòng)紙帶，尋找一個(gè)手感阻力最小的位置)。 (2)打點(diǎn)前的紙帶必須平直，不要卷曲，否則紙帶在下落時(shí)會(huì)卷到計(jì)時(shí)器的上邊緣上，從而增大了阻力，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差過(guò)大。 (3)接通電源前，提紙帶的手必須拿穩(wěn)紙帶，并使紙帶保持豎直，然后接

5、通電源，待計(jì)時(shí)器正常工作后，再松開紙帶讓重物下落，以保證第一個(gè)點(diǎn)跡是一個(gè)清晰的小點(diǎn)。 (4)對(duì)重物的要求：選用密度大、質(zhì)量大些的物體，以減小運(yùn)動(dòng)中阻力的影響(使重力遠(yuǎn)大于阻力)。 (5)紙帶的挑選：應(yīng)挑選第一、二兩點(diǎn)間的距離接近2 mm且點(diǎn)跡清晰的紙帶進(jìn)行測(cè)量。這是因?yàn)椋罕緦?shí)驗(yàn)的前提是在重物做自由落體運(yùn)動(dòng)的情況下，通過(guò)研究重力勢(shì)能的減少量與動(dòng)能的增加量是否相等來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒的，故應(yīng)保證紙帶(重物)是在打第一個(gè)點(diǎn)的瞬間開始下落。計(jì)時(shí)器每隔O02 s打一次點(diǎn)，做自由落體運(yùn)動(dòng)的物體在最初002 s內(nèi)下落的距離h1=1/2gt2=1/2×98×0022m=0002 m=2 m

6、m，所以若紙帶第一、二兩點(diǎn)間的距離接近2 mm，就意味著重物是在打第一個(gè)點(diǎn)時(shí)的瞬間開始下落的，從而滿足本次實(shí)驗(yàn)的前提條件(打第一個(gè)點(diǎn)物體的初速度為零，開始做自由落體運(yùn)動(dòng))。 (6)測(cè)量下落高度時(shí)，必須從起點(diǎn)o量起。為了減小測(cè)量的相對(duì)誤差，選取的計(jì)數(shù)點(diǎn)要離O點(diǎn)適當(dāng)遠(yuǎn)些(紙帶也不宜過(guò)長(zhǎng)，其有效長(zhǎng)度可在60 cm80 cm以內(nèi))。 (7)本實(shí)驗(yàn)并不需要知道重力勢(shì)能減少量和動(dòng)能增加量的具體數(shù)值，只要對(duì)mgh與1/2mv2進(jìn)行比較（實(shí)際上只要驗(yàn)證1/2v2=gh即可）以達(dá)到驗(yàn)證機(jī)械能守恒的目的，所以不必測(cè)出重物的質(zhì)量。七、誤差分析 (1)做好本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是盡量減小重物下落過(guò)程中的阻力，但阻力不可能完全消

7、除。本實(shí)驗(yàn)中，誤差的主要來(lái)源是紙帶摩擦和空氣阻力。由于重物及紙帶在下落中要不斷地克服阻力做功，因此物體動(dòng)能的增加量必稍小于重力勢(shì)能的減少量，這是系統(tǒng)誤差。減小系統(tǒng)誤差的方法有選用密度大的實(shí)心重物，重物下落前紙帶應(yīng)保持豎直，選用電火花計(jì)時(shí)器等。 (2)由于測(cè)量長(zhǎng)度會(huì)造成誤差，屬偶然誤差，減少辦法一是測(cè)距離都應(yīng)從起點(diǎn)0量起，下落高度h適當(dāng)大些(過(guò)小，h不易測(cè)準(zhǔn)確；過(guò)大，阻力影響造成的誤差大)，二是多測(cè)幾次取平均值?！纠弧?在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用電源的頻率為50Hz，查得當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭=980m/s2。某同學(xué)選擇了一條理想的紙帶，用刻度尺測(cè)量時(shí)計(jì)數(shù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)刻度尺上的

8、讀數(shù)如圖所示。圖中O點(diǎn)是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的第一個(gè)點(diǎn)，A、B、C、D分別是每打兩個(gè)點(diǎn)取出的計(jì)數(shù)點(diǎn)。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可知重物由O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)：(1)重力勢(shì)能的減少量為多少?(2)動(dòng)能的增加量是多少?(3)根據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù)可得出什么結(jié)論?產(chǎn)生誤差的主要原因是什么?課后作業(yè)：1在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，需要直接測(cè)量和間接測(cè)量的數(shù)據(jù)是重物的 ( )A質(zhì)量 B下落時(shí)間 C下落高度 D瞬時(shí)速度2選擇紙帶時(shí)，較為理想的是 ( )A點(diǎn)跡小而清晰的 B點(diǎn)跡粗的C第一、二點(diǎn)距離接近2mm的 D紙帶長(zhǎng)度較長(zhǎng)的(40-50cm)3在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，有下列器材可供選擇： 鐵架臺(tái)、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、復(fù)寫紙、低

9、壓直流電源、天平、秒表、導(dǎo)線、開關(guān)。其中不必要的器材是_。缺少的器材是_。4下列實(shí)驗(yàn)步驟中，合理的順序是 A把重物系在夾子上，紙帶穿過(guò)計(jì)時(shí)器，上端用手提著，下端夾上系重物的夾子，讓夾子靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器。 B把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接入學(xué)生電源交流輸出端，輸出電壓調(diào)在6V。 C把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在鐵架臺(tái)上，使兩個(gè)限位孔在同一豎直線上。 D拆下導(dǎo)線，整理器材。 E接通電源，釋放紙帶。F斷開電源，更換紙帶。再進(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn)。G在三條紙帶中選取最合適的一條，再紙帶上選幾個(gè)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。5.在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，電源頻率為50Hz。當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭=98m/s2，測(cè)得所用重物質(zhì)量是100kg，甲、乙、丙三

10、同學(xué)分別用同一裝置打出三條紙帶，量出各紙帶上第一、二兩點(diǎn)間的距離分別是018cm，019cm和025cm，可以看出其中一個(gè)人在操作上有誤，具體原因是_，選用第二條紙帶，量得三個(gè)連續(xù)A、B、C到第一點(diǎn)的距離分別是1555cm、1920cm和2323cm，當(dāng)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打在B點(diǎn)時(shí)，重物重力勢(shì)能減小量為_J，重物的動(dòng)能是_J。6. 在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用電源頻率為50Hz，當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭=98m/s2，測(cè)得所用重物質(zhì)量是100kg，實(shí)驗(yàn)中得到一條點(diǎn)跡清晰的紙帶，把第一個(gè)點(diǎn)計(jì)作O，另選連續(xù)的四個(gè)點(diǎn)A、B、C、D作為測(cè)量的點(diǎn)，經(jīng)測(cè)量知道A、B、C、D各點(diǎn)到O點(diǎn)的距離分別是62.99cm、70.18cm、7776cm、8573cm，根據(jù)以上數(shù)據(jù)?？芍匚镉蒓點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)，重力勢(shì)能的減少量為_J，動(dòng)能的增加量等于_J。（取3位有效數(shù)字）。7在利用自由落體運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中，對(duì)第一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)的要求為_。用_方法可以判斷滿足了這個(gè)要求。實(shí)驗(yàn)時(shí)必須知道重錘的動(dòng)能增加量應(yīng)小于重力勢(shì)能減少量，而在實(shí)驗(yàn)計(jì)算中卻可能出現(xiàn)動(dòng)能增加量大于重力勢(shì)能減少量，這是由于_。8在利用自由落體運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中，(1)若應(yīng)用公式v