高中物理第四章机械能和能源实验：验证机械能守恒定律课件-30张 30页

实验 : 验证机械能守恒定律　 【 实验目的 】 1. 会用打点计时器打下的纸带计算物体运动的速度。 2. 掌握利用自由落体运动验证机械能守恒定律的原理和方法。 【 实验原理 】 让物体自由下落 , 忽略阻力情况下物体的机械能守恒 , 有两种方案验证物体的机械能守恒 : 方案一 : 以物体自由下落的位置 O 为起始点 , 测出物体下 落高度 h 时的速度大小 v, 若 mv 2 =mgh 成立 , 则可验证 物体的机械能守恒。 方案二 : 测出物体下落高度 h 过程的初、末时刻的速度 v 1 、 v 2 ,v 1 、 v 2 的计算方法与方案一的相同。若关系式 成立 , 则物体的机械能守恒。 【 实验器材 】 铁架台 ( 带铁夹 ) 、电磁打点计时器、重锤 ( 带纸带夹子 ) 、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、低压交流电源 【 实验过程 】 一、实验步骤 1. 安装置 : 按图将检查、调整好的打点 计时器竖直固定在铁架台上 , 接好电路。 2. 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 2 mm 的纸带 , 把纸带上打出的两点间的距离为 2 mm 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 h 1 、 h 2 、 h 3 … 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… 并测量出各计数点到 O 点的距离 h 1 、 h 2 、 h 3 … 再根 据公式 v n = , 计算出 1 、 2 、 3 、 4 、 …n 点的瞬 时速度 v 1 、 v 2 、 v 3 、 v 4 …v n 。 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 mgh n , 动能 增加量为 计算 gh n 和 如果在实验误差允 许的范围内 gh 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 mgh A -mgh B , 动能增加量 为 计算 gh AB 和 如果在实验 误差允许的范围内 gh AB = 则机械能守恒定律 得到验证。 方法三 : 图像法。 计算各计数点 v 2 , 以 v 2 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 v 2 -h 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。 【 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。 【 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 =mgh n , 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= gt 2 = ×10×(0.02) 2 m =2 mm 。 (2) 以下落中某点为起点时 , 要验证的是 =mgh mn , 这时选择纸带不需要满足两点间距为 2 mm 。 3. 计算速度时不能用 v=gt 或 v= 否则就犯了用机械 能守恒定律去验证机械能守恒的错误。 类型一　实验原理及误差分析 【 典例 1】 使用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律 , 打出一条纸带。纸带上 O 是打出的第一个点迹 ,A,B, C,…… 是依次打出的点迹 , 量出 OE 间的距离为 h,DF 间的距离为 s 。已知打点计时器打点的周期是 T 。 (1) 上述物理量如果在实验误差允许的范围内满足关系 式 ________, 即验证了重物下落过程中机械能是守恒的。  (2) 如果发现图中 OA 距离大约是 4 mm, 则出现这种情况 的原因可能是 ___________________________;  如果出现这种情况 , 上述各物理量间满足的关系式可能 是 _____________________________________ 。  【 解析 】 (1) 图中 O 点是打出的第一个点 , 即为开始下落 时的初始位置。选取 OE 段为研究对象 , 设重物的质量为 m, 则这段过程中重物重力势能的减少量为 mgh 。已知 DF 间距离为 s, 发生位移 s 所用时间为 2T, 由于做匀变速直 线运动的物体在某段时间内的平均速度等于这段时间 的中间时刻的瞬时速度 , 因此打 E 点时的速度 v= , 若 机械能守恒则有 mgh= mv 2 , 即只要满足 gh= , 就可 验证机械能守恒定律。 (2) 根据前面的分析 , 只要按正确步骤操作 , 从打第一个 点 O 到打第二个点 ( 图中 A 点 ) 的时间间隔是 T( 即 0.02 s), 则 OA 间距离只可能小于 2 mm 而不可能大于 2 mm 。现在 题目说 “ OA 距离大约是 4 mm ” , 可能是先释放纸带而后 接通打点计时器的电源开关所致。如果是这种情况 , 则 开始打第 1 个点 (O 点 ) 时速度已不是 0, 必然有 gh< 。 答案 : (1)gh= 　 (2) 先释放纸带而后接通打点计时器 的电源开关　 gh< 类型二　实验数据的处理 【 典例 2】 (2016· 全国卷 Ⅰ) 某同学用图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律 , 其中打点计时器的电源为交流电源 , 可以使用的频率有 20 Hz 、 30 Hz 和 40 Hz, 打出纸带的一部分如图乙所示。该同学在实验中没有记录交流电的频率 f, 需要用实验数据和其他条件进行推算。 (1) 若从打出的纸带可判定重物匀加速下落 , 利用 f 和图乙中给出的物理量可以写出 : 在打点计时器打出 B 点时 , 重物下落的速度大小为 ________, 打出 C 点时重物下落的速度大小为 ________, 重物下落的加速度大小为 ________ 。  (2) 已测得 s 1 =8.89 cm,s 2 =9.50 cm,s 3 =10.10 cm; 当地重力加速度大小为 9.80 m/s 2 , 实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的 1% 。由此推算出 f 为 _____Hz 。  【 解析 】 (1) 两点间时间间隔为 T= ,v B = = 同理 v C = 重物下落的加速度的大小为 a= (2) 据 mg-0.01mg=ma 和 a= , 代入数据可得 f 为 40 Hz 。 答案 : (1) 　 　 　 (2)40