9 实验:验证机械能守恒定律
学习目标
1.理解实验的思路,明确测量的物理量. 2.能正确地进行实验操作.
3.会根据纸带测定下落的距离,掌握瞬时速度测量的方法. 4.能根据实验数据得出实验结论.
自主探究
1.本实验的实验目的是通过研究物体 下落过程中, 能和 能的变化来验证 .
2.实验原理:做自由落体运动的物体,设质量为m,下落高度为h时的速度为v,则减少的重力势能为 ,增加的动能为 .若两个量在误差允许的范围内相等,就验证了机械能守恒定律.
3.速度的测量:做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度等于 .
4.本实验中,用到的实验器材主要有打点计时器及学生电源、 、 、重物、 、带铁夹的铁架台、导线.
合作探究
一、实验介绍
1.实验目的:验证机械能守恒定律.
2.实验原理:本实验验证自由落体运动情形下的机械能守恒. 思考1:选择重物时,选轻一点的好还是重一点的好?为什么?
思考2:本实验要不要测量垂物的质量?
3.实验器材:铁架台、打点计时器、学生电源、纸带、复写纸、重物(带铁夹)、毫米刻度尺等.
二、实验步骤
1.按图安装实验器材,电源接4~6V学生电源.接通电源前,用手提升纸带至重物靠近打点计时器处.
2.先接通电源,再松开纸带,让重物自由下落.关闭电源,取下纸带备用.
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3.重复步骤2两次,打出3条纸带.
4.取点迹清晰,且第一、二点间距离接近2mm的纸带进行测量.先将第一点记为0点,然后在纸带上任取5个连续的点(或间隔点数相同的点),如下图所示.
5.验证0点到2点过程机械能守恒的方程为mgh2=2m(
1
?3-?12
),其中2?t为1点到2点(或2
点到3点)之间的时间间隔,如果在误差允许的范围内等式成立,实验就是成功的.同理,可以验
证0点到3点过程、0点到4点过程的机械能是否守恒.
6.拆下器材,放回原处.
思考3:对于实际获得的纸带,如何判定纸带上的第一个点就是纸带刚开始下落时打下的呢?
三、数据处理与分析
依据实验,采集整理以下信息:
增加的 数据 瞬时速度 减少的重力 下落高度hn/m 1序号 vn/(m·s-1) 势能mghn/J 动能2?vn2/J 2 3 4
思考4:验证机械能守恒时可以回避起始点吗(即处理纸带时可以不用到起始点吗)?
我们可以选取A、B两点,比较它们的机械能EA和EB.若以点B为0势能点,则有: . 数据处理:
Δh/m vA/(m·s) vB/(m·s) 势能减少量Ep/J -1-1动能增加量 ΔEk/J 1 2 3 4
通过本实验,我们可以得到的结论: . 思考5:如何测量物体的瞬时速度?
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探究讨论:速度能不能用v=√2??或v=gt计算?
图象法处理数据:
误差分析
1.偶然误差:测量长度时会带来误差.
2.系统误差:实验中重物和纸带下落过程中要克服阻力(主要是打点计时器的阻力)做功,故动能的增加量ΔEk必定稍小于势能的减少量ΔEp.
四、例题分析
[例1]在“验证机械能守恒定律”的一次实验中,质量m=1kg的重物自由下落,在纸带上打出一系列的点,如图所示(相邻计数点时间间隔为0.02s),那么:
(1)纸带的 (用字母表示)端与重物相连;
(2)打点计时器打下计数点B时,物体的速度vB= ;
(3)从起点P到打下计数点B的过程中物体的重力势能减少量ΔEp= ,此过程中物
2
体动能的增加量ΔEk= ;(g取9.8m/s)
(4)通过计算,数值上ΔEp ΔEk(选填“<”“>”或“=”),这是因为 ; (5)实验的结论是 .
[例2]在用打点计时器验证物体自由下落过程中机械能守恒的实验里,以下哪些步骤是必要的?请把它们选出,并将它们的字母代号按操作顺序填在后面横线上: .
A.断开电源,取下纸带进行测量、记录
B.将纸带固定在重物上,并把它穿过打点计时器,提升到一定高度 C.接通电源,释放纸带 D.用天平测出重物的质量
E.把打点计时器固定在支架上,并接在交流低压电源两端 F.用停表测出重物下落的时间
[例3]在用自由落体运动做“验证机械能守恒定律”实验中,用天平称得重物的质量为0.5kg,所用电源的频率为50Hz,某同学通过正确的实验操作得到了一条理想的纸带.纸带上打出的点如图所示(纸带上的O点是第一个打印点,A、B、C、D、E分别是每打两个点的时间作为
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计时单位取的计数点,图中数据单位为毫米),已知当地的重力加速度为9.8m/s.选择B点为初始点,D点为终点,则从打下B点到打下D点的过程中,重物的重力势能的减少量为 J,
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重物动能的增加量为 J.
课堂检测
1.本实验中,除铁架台、夹子、低压交流电源、纸带和重物外,还需选用的仪器是( ) A.停表 B.刻度尺 C.天平 D.打点计时器
2.在验证机械能守恒定律的实验中,由于打点计时器两限位孔不在同一竖直线上,使纸带通过时受到较大阻力,这样的结果会有( )
A.mgh>2mv C.mgh=mv 21
2
1
2
B.mgh<2mv D.以上都有可能
1
2
3.在验证机械能守恒定律的实验中,下列物理量中需要直接测量的有( ) A.重物的质量 B.重力加速度 C.重物下落的高度 D.与重物下落高度对应的重物的瞬时速度 4.“验证机械能守恒定律”的实验采用重物自由下落的方法.
(1)若实验中所用的重物质量m=1kg,打点纸带如图所示,打点时间间隔为0.02s,则记录B点时,重物的速度vB= ,重物动能EkB= .从开始下落起至B点,重物的重力势能
2
减少量是 ,因此可得出的结论是 .(g取9.8m/s)
(2)根据纸带算出相关各点速度v,量出下落距离h,则以应是下图中的( )
?22
为纵轴,以h为横轴画出的图线
5.某同学做“验证机械能守恒定律”实验,不慎将一条选择好的纸带的前面一部分损坏了,剩下的一段纸带上的各个点间的距离如图所示(单位:cm),已知打点计时器工作频率为50
2
Hz,重力加速度g取9.8m/s.
(1)利用这段纸带说明重物机械能守恒;
(2)试说明重力势能的减少量ΔEp稍大于动能的增加量ΔEk的原因,并提出改进意见.
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参考答案
自主探究 1.自由 重力势 动 机械能守恒定律
2.mgh 2mv
1
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3.这个点前后相邻两点间的平均速度 4.纸带 复写纸 刻度尺 合作探究 一、实验介绍
思考1:我们要求重物做自由落体运动,而阻力是不可避免地存在的,为了减少阻力对实验的影响,应采用密度较大的重物.
思考2:由mgh=mv可得出gh=v,所以无须测量重物的质量.如果实验要求计算势能和动
2
2
1
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1
2
能的具体数据,那就必须要知道重物的质量.
二、实验步骤
思考3:若第一个点为纸带刚开始下落时打下的,则该点与相邻点间距离满足
h=2gt2=2×9.8×0.022m≈2×10-3 m=2 mm,因此纸带上的开始两个点间的距离接近2 mm时,则可
判定第一个点即为纸带刚开始下落时打下的.
三、数据处理与分析 思考4:EkA+mgΔh=EkB
通过本实验,我们可以得到的结论:EA和EB近似相等,从而验证机械能守恒.
思考5:vB=11
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2019-2020学年高中物理 7.9 实验：验证机械能守恒定律学案(含解析)新人教版必修2
