2020版高中物理 第四章 机械能和能源 实验：验证机械能守恒定律课件 教科版必修2

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mv2=mgh成立,则可验证物体的机械能守恒。12方案二:测出物体下落高度h过程的初、末时刻的速度v1、v2,v1、v2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。222111mvmvmgh22【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2mm的纸带,把纸带上打出的两点间的距离为2mm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h1、h2、h3…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h1、h2、h3…再根据公式vn=,计算出1、2、3、4、…n点的瞬时速度v1、v2、v3、v4…vn。n1n1hh2T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mghn,动能增加量为计算ghn和如果在实验误差允许的范围内ghn=则机械能守恒定律得到验证。2n1mv2，2n1v2，2n1v2，方法二:任取两点A、B。从A点到B点,重力势能减少量为mghA-mghB,动能增加量为计算ghAB和如果在实验误差允许的范围内ghAB=则机械能守恒定律得到验证。22BA11mvmv22，22BA11vv22，22BA11vv22，方法三:图像法。计算各计数点v2,以v2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v2-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。121212【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=mghn,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=gt2=×10×(0.02)2m=2mm。2n1mv21212(2)以下落中某点为起点时,要验证的是=mghmn,这时选择纸带不需要满足两点间距为2mm。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。22mn11mvmv222gh，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。世纪金榜导学号(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4mm,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=mv2,即只要满足gh=,就可验证机械能守恒定律。s2T1222s8T(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0.02s),则OA间距离只可能小于2mm而不可能大于2mm。现在题目说“OA距离大约是4mm”,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。22s8T答案:(1)gh=(2)先释放纸带而后接通打点计时器的电源开关gh22s8T22s8T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20Hz、30Hz和40Hz,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。世纪金榜导学号(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s1=8.89cm,s2=9.50cm,s3=10.10cm;当地重力加速度大小为9.80m/s2,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=,vB==同理vC=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40Hz。答案:(1)(2)401f12ss2T12ssf2()，23ssf2()，231ssf2()。231ssf2()2122331ssfssfssf222