验证机械能守恒定律实验报告(DIY)

1实验：验证机械能守恒定律班级：姓名：座位：[实验目的]1.验证机械能守恒定律。2.掌握实验数据处理方法，能定性分析误差产生的原因。[实验原理]当物体自由下落时，只有重力做功，物体的重力势能和动能互相转化，机械能守恒。若某一时刻物体下落的瞬时速度为v，下落高度为h，则应有：21mgm2hv。借助打点计时器，测出重物某时刻的下落高度h和该时刻的瞬时速度v，即可验证机械能是否守恒，实验装置如图1所示。测定第n点的瞬时速度的方法是：T2h-h1-n1nnv[实验器材]铁架台(带铁夹)、打点计时器、纸带、交流电源、导线、带铁夹的重锤、纸带、刻度尺等。[实验步骤]1．按如图1装置把打点计时器安装在铁架台上，并使两限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力。用导线把打点计时器与交流电源连接好。2．把纸带的一端在重锤上用夹子固定好，另一端穿过计时器限位孔，用手竖直提起纸带使重锤停靠在打点计时器附近。3．先接通电源，再松开纸带，让重锤带着纸带自由下落。4．重复几次，得到3～5条打好点的纸带。5．在打好点的纸带中挑选点迹清晰且第1、2两计时点间的距离接近2mm的一条纸带，在起始点标上0，再在距离0点较远处开始选取相邻的几个计数点依次标上1、2、3……用刻度尺测出对应下落的高度h1、h2、h3……6．应用公式T2h-h1-n1nnv计算各点对应的瞬时速度v1、v2、v3……7．计算各点对应的重力势能减少量mghn和动能的增加量221nmv，进行比较，并讨论如何减小误差。图1图22[注意事项]1．打点计时器的两限位孔必须在同一竖直线上，以减少摩擦阻力。选用质量和密度较大的重物，以减小空气阻力的影响。2．实验时，需保持提纸带的手不动，待接通电源，让打点计时器工作正常后再松开纸带让重锤下落，以保证第一个点是一个清晰的小点。3．利用方法221nmvmgh进行验证时，选用纸带时应尽量挑选第1、2点间距接近2mm的纸带。（为了保证纸带上第一个点的速度为0，此时前两个点的间距约为mmmgth202.010212122）4．测量下落高度时，必须从起始点算起，为了减小测量h时的相对误差，选取的各个计数点要离起始点远一些。5．实际上重物和纸带下落过中要克服阻力做功，所以动能的增加量要小于势能的减少量。[数据处理]连续打两点的时间间隔T＝s、重锤质量m=kg序号重锤下落高度h(m)速度v（ｍ/s）重锤减少势能ΔEP（J）增加动能ΔEK（J）123456[误差分析]误差原因为减小误差，实验中应注意哪些方面123[结论]：3[练习]1．如图所示，是用落体法“验证机械能守恒定律”的实验装置。(1)从下列器材中选出实验所必需的，其编号为__________．A．打点计时器(含纸带)B.重锤；C．天平；D.毫米刻度尺；E.秒表．(2)需要测量物体由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v和下落高度h.某班同学利用实验得到的纸带，设计了以下四种测量方案：A．用刻度尺测出物体下落的高度h，并测出下落时间t，通过v＝gt计算出瞬时速度v.B．用刻度尺测出物体下落的高度h，并通过v＝2gh计算出瞬时速度v.C．根据做匀变速直线运动时纸带上某点的瞬时速度，等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度v，并通过h＝v22g计算出高度h.D．用刻度尺测出物体下落的高度h，根据做匀变速直线运动时纸带上某点的瞬时速度，等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度v.以上方案中只有一种正确，正确的是__________．(填入相应的字母)(3)实验中产生系统误差的主要原因是纸带通过打点计时器的摩擦阻力，使重锤获得的动能往往__________它所减小的重力势能(填“大于”、“小于”或“等于”)．(4)如果以v2/2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出v2/2－h图线是一条通过坐标原点的倾斜直线，该直线的斜率是__________．2．某同学利用竖直上抛小球的频闪照片验证机械能守恒定律．频闪仪每隔0.05s闪光一次，图中所标数据为实际距离，该同学通过计算得到不同时刻的速度如下表(当地重力加速度取9.8m/s2，小球质量m＝0.2kg，计算结果保留三位有效数字)：时刻t2t3t4t5速度(m/s)4.994.483.98(1)由频闪照片上的数据计算t5时刻小球的速度v5＝__________m/s；(2)从t2到t5时间内，重力势能增量ΔEp＝__________J，动能减少量ΔEk＝__________J；(3)在误差允许的范围内，若ΔEp与ΔEk近似相等，从而验证了机械能守恒定律．由上述计算得ΔEp__________ΔEk(选填“”、“”或“＝”)，造成这种结果的主要原因是3.如图所示，两个质量各为m1和m2的小物块A和B，分别系在一条跨过定滑轮的软绳两端，已知m1＞m2.现要利用此装置验证机械能守恒定律．(1)若选定物块A从静止开始下落的过程进行测量，则需要测量的物理4量有__________．(在横线上填入选项前的编号)①物块的质量m1、m2②物块A下落的距离及下落这段距离所用的时间③物块B上升的距离及上升这段距离所用的时间④绳子的长度(2)为提高实验结果的准确程度，某小组同学对此实验提出以下建议：①绳的质量要轻②在“轻质绳”的前提下，绳子越长越好③尽量保证物块只沿竖直方向运动，不要摇晃④两个物块的质量之差要尽可能小以上建议中确实对提高准确程度有作用的是______．(在横线上填入选项前的编号)(3)写出一条上面没有提到的对提高实验结果准确程度有益的建议：________________________________________________________________________.4．某同学利用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律．弧形轨道末端水平，离地面的高度为H.将钢球从轨道的不同高度h处静止释放，钢球的落点距轨道末端的水平距离为s.(1)若轨道完全光滑，s2与h的理论关系应满足s2＝________(用H、h表示)．(2)该同学经实验测量得到一组数据，如表所示：h/×10－1m2.003.004.005.006.00s2/×10－1m22.623.895.206.537.78请在坐标纸上作出s2－h关系图．(3)对比实验结果与理论计算得到的s2－h关系图线(图乙中已画出)，自同一高度静止释放的钢球，水平抛出的速率________(选填“小于”或“大于”)理论值．(4)从s2－h关系图线中分析得出钢球水平抛出的速率与理论值偏差十分显著，你认为造成上述偏差的可能原因是__________________________________________．5实验：验证机械能守恒定律练习参考答案1.解析：(1)验证机械能守恒定律时，只需验证12v2与gh近似相等，故无需测量重锤质量，用打点计时器可以测量重锤下落高度即下落的时间，故无需秒表，故正确的为A、B、D.(2)重物下落过程中，由于纸带与打点计时器的阻碍作用，其加速度要小于重力加速度g，故不可用A、B、C方案中的公式来求解．(3)由于重锤下落过程中有部分重力势能转化为克服摩擦力做功而产生的热，故重锤获得的动能稍小于减小的重力势能．(4)由12v2＝gh可知，以12v2为纵轴，h为横轴，所绘图线的斜率为重力加速度g.答案：(1)ABD(2)D(3)小于(4)重力加速度2.解析：(1)t5时刻小球的速度v5＝16.14＋18.662×0.05×10－2m/s＝3.48m/s；(2)从t2到t5时间内，重力势能增量ΔEp＝mgh25＝0.2×9.8×(23.68＋21.16＋18.66)×10－2J＝1.24J，动能减少量ΔEk＝12mv22－12mv25＝1.28J；(3)ΔEpΔEk，造成这种结果的主要原因是存在空气阻力．答案：(1)3.48(2)1.24；1.28(3)；存在空气阻力3.解析：(1)通过连接在一起的A、B两物体验证机械能守恒定律，即验证系统的势能变化与动能变化是否相等，A、B连接在一起，A下降的距离一定等于B上升的距离；A、B的速度大小总是相等的，故②、③只测其中之一即可，不需要测量绳子的长度．(2)如果绳子质量不能忽略，则A、B组成的系统势能将有一部分转化为绳子的动能，从而为验证机械能守恒定律带来误差；若物块摇摆，则两物块的速度有差别，为计算系统的动能带来误差；两物块质量相差较小时，摩擦等阻力做功占两物块的机械能的比例增大，误差增大，故无需减小两物块的质量差．答案：(1)①②或①③(2)①③(3)例如：“对同一高度进行多次测量取平均值”；“选取受力后相对伸长尽量小的绳”；等等4.解析：(1)由机械能守恒有：mgh＝12mv2由平抛运动规律s＝vt、H＝12gt2得：s2＝4Hh.6(2)根据表中数据描出s2－h关系如图所示．(3)由图看出在相同h下，水平位移s值比理论值要小，由s＝vt＝v2Hg，说明水平抛出的速率比理论值小．(4)水平抛出的速率偏小，说明有机械能损失，可能因为摩擦或在下落过程中钢球发生转动．答案：(1)4Hh(2)见解析图(3)小于(4)摩擦或转动(回答一个即可)