2020年高中物理人教版必修2课件：7.9 实验：验证机械能守恒定律(共34张PPT)
文档属性
| 名称 | 2020年高中物理人教版必修2课件：7.9 实验：验证机械能守恒定律(共34张PPT) |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 2.1MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2020-04-15 06:53:40 | ||
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文档简介
(共34张PPT)
9.实验:验证机械能守恒定律
一
二
三
四
一、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。
一
二
三
四
二、实验器材
铁架台(带铁夹)、打点计时器、重物(带纸带夹子)、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、学生电源。
一
二
三
四
三、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:
一
二
三
四
四、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。
一
二
三
四
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h1、h2、h3、…。
实验指导
典例剖析
一、实验注意事项
1.先接通电源打点,后释放纸带。
4.测量下落高度时,为减小实验误差,后边的点应距起点O较远,在测量各点到O点的距离时,应当用刻度尺从O点量起,一次性读出各点到O点的距离。
实验指导
典例剖析
二、数据处理
1.求瞬时速度
2.守恒验证
方法一:利用起始点。
实验指导
典例剖析
方法三:图象法。
从纸带上选取多个点,测量从第一个点到其余各点的下落高度h,并计算各点速度的二次方v2,然后以 v2为纵轴, 以h为横轴,根据实验数据绘出 v2-h图线。
若在误差允许的范围内图象是一条过原点 且斜率为g的直线,则验证了机械能守恒定律。
实验指导
典例剖析
三、误差分析
1.测量长度会带来偶然误差。减小偶然误差的办法:
(1)测距离都应从O点测起。
(2)多次测量取平均值。
(3)选取的计数点应尽可能离O点远些,以减小相对误差。
2.重物在拖着纸带下落的过程中必然受到阻力作用,主要是打点计时器与纸带间的摩擦力以及空气的阻力。克服这些阻力做功要消耗能量,所以重物动能的增加量必定小于重力势能的减少量。这是实验设计上带来的系统误差。
3.打点计时器周期变化带来误差。
实验指导
典例剖析
【例题1】 (实验原理及过程的理解)某同学利用重物自由下落来“验证机械能守恒定律”的实验装置如图甲所示。
实验指导
典例剖析
(1)请指出实验装置中存在的明显错误? 。?
(2)进行实验时,为保证重物下落时初速度为零,应 (选填“A”或“B”)。?
A.先接通电源,再释放纸带
B.先释放纸带,再接通电源
(3)根据打出的纸带,选取纸带上连续打出的1、2、3、4四个点如图乙所示。已测出点1、2、3、4到打出的第一个点O的距离分别为h1、h2、h3、h4,打点计时器的打点周期为T。若代入所测数据能满足表达式gh3= ,则可验证重物下落过程机械能守恒(用题目中已测出的物理量表示)。?
实验指导
典例剖析
解析：(1)从图甲中的实验装置中发现,打点计时器接在了直流电源上,打点计时器的工作电源是低压交流电源。因此,明显的错误是打点计时器不能接在直流电源上。
(2)为了使纸带上打下的第1个点是速度为零的初始点,应该先接通电源,让打点计时器正常工作后,再释放纸带。若先释放纸带,再接通电源,当打点计时器打点时,纸带已经下落,打下的第1个点的速度不为零。因此,为保证重物下落的初速度为零,应先接通电源,再释放纸带。
实验指导
典例剖析
答案：(1)打点计时器不能接直流电源(或打点计时器应接交流
电源) (2)A
实验指导
典例剖析
【例题2】(实验数据的处理)在“验证机械能守恒定律”的实验中,打点计时器所用电源频率为50 Hz,
当地重力加速度的值为9.80 m/s2,测得所用重物的质量为1.0 kg。甲、乙、丙三个学生分别用同一装置打出三条纸带,量出各纸带上前两个点间的距离分别为0.18 cm、0.18 cm和0.25 cm,可看出其中肯定有一个学生在操作上出现了问题,出现的问题是 。若按实验要求正确地选出纸带如图所示(相邻计数点的时间间隔为0.02 s),那么:?
实验指导
典例剖析
(1)纸带的 (选填“左”或“右”)端与重物相连。?
(2)打点计时器打下计数点B时,重物的速度vB= 。?
(3)从起点O到打下计数点B的过程中重物重力势能的减少量Ep减= ,此过程中重物动能的增加量Ek增= 。?
(4)通过计算,数值上Ep减 (选填“>”“=”或“<”)Ek增,这是因为 ? 。?
(5)实验的结论是 。?
实验指导
典例剖析
解析：如果重物做自由落体运动,前两个点间的距离应接近于0.2 cm,而丙同学的纸带上前两个点间的距离远大于这个值,说明重物在打第1点时已有速度,故丙同学在操作时出现的问题是先释放纸带后接通电源。
(1)纸带左端相邻两点之间的距离小,故纸带左端与重物相连。(2)B点对应的速度vB= =0.98 m/s。(3)Ep减=mghOB=0.49 J,Ek增=
=0.48 J。(4)Ep减>Ek增,在实验中存在阻力,重物的重力势能不能完全转化为动能。(5)在实验误差允许的范围内,重物的机械能守恒。
答案：先释放纸带后接通电源 (1)左 (2)0.98 m/s (3)0.49 J 0.48 J (4)> 实验中存在阻力,重物的重力势能不能完全转化为动能 (5)在误差允许的范围内,重物的机械能守恒
实验指导
典例剖析
变式训练1 某同学做验证机械能守恒定律实验时,不慎将一条挑选出的纸带一部分损坏,损坏的是前端部分。剩下的一段纸带上各相邻点间的距离已测出标在图中,单位是cm。打点计时器工作频率为50 Hz,重力加速度g取9.8 m/s2,重物质量m=1.00 kg。?
(1)重物在2点的速度v2= ,在5点的速度v5= ,此过程中动能增加量ΔEk= ,重力势能减少量ΔEp= 。由以上可得出实验结论 ? 。?
实验指导
典例剖析
(2)根据实验判断下列图中正确的图象是(其中ΔEk表示物体动能的变化量,Δh表示物体下落的高度) 。?
实验指导
典例剖析
(2)物体机械能守恒,应有物体减少的重力势能转化为增加的动能,即ΔEk=mgΔh,可见物体增加的动能与下落的距离成正比,选项C正确。
答案：(1)1.50 m/s 2.075 m/s 1.03 J 1.06 J 在误差允许的范围内,机械能守恒 (2)C
实验指导
典例剖析
甲
乙
【例题3】(实验创新设计)为了探究机械能守恒定律,某同学设计了如图甲所示的实验装置,并提供了如下的实验器材:
A.小车 B.钩码
C.一端带滑轮的木板 D.细线
E.电火花计时器 F.纸带
G.毫米刻度尺 H.低压交流电源
I.220 V的交流电源
实验指导
典例剖析
(1)根据上述实验装置和提供的实验器材,你认为实验中不需要的器材是 (填写器材序号),还应补充的器材是 。?
(2)实验中得到了一条纸带如图乙所示,选择点迹清晰且便于测量的连续7个点(标号0~6),测出0到1、2、3、4、5、6点的距离分别为d1、d2、d3、d4、d5、d6,打点周期为T。则打点2时小车的速度v2= ;若测得小车质量为M、钩码质量为m,打点1和点5时小车的速度分别用v1、v5表示,已知重力加速度为g,则验证点1与点5间系统的机械能守恒的关系式可表示为 。?
实验指导
典例剖析
实验指导
典例剖析
变式训练2 如图甲中,悬点正下方P点处放有水平放置炽热的电热丝,当悬线摆至电热丝处时能轻易被烧断,小球由于惯性向前飞出做平抛运动。在地面上放上白纸,上面覆盖着复写纸,当小球落在复写纸上时,会在下面白纸上留下痕迹。用重垂线确定出A、B点的投影点N、M。重复实验10次(小球每一次都从同一点由静止释放)球的落点痕迹如图乙所示,图中刻度尺水平放置,零刻度线与M点对齐。用刻度尺量出AN的高度h1、BM的高度h2,算出A、B两点的竖直距离,再量出M、C之间的距离x,即可验证机械能守恒定律,已知重力加速度为g,小球的质量为m。?
实验指导
典例剖析
(1)根据图乙可以确定小球平抛时的水平射程为 cm。?
(2)用题中所给字母表示出小球平抛时的初速度v0= 。?
(3)用测出的物理量表示出小球从A到B过程中,重力势能的减少量Ep减= ,动能的增加量Ek增= 。?
实验指导
典例剖析
解析：(1)根据刻度尺的读数原则,可知其读数为65.0 cm。
(2)物体从B点平抛,有
x=v0t
1 2 3 4 5
1.在验证机械能守恒定律实验中,纸带将被释放瞬间的四种情况如照片所示,其中最合适的是( )
答案：D
1 2 3 4 5
2.利用重物下落验证机械能守恒定律的实验中,下面叙述正确的是( )
A.应该用天平称出重物的质量
B.应该选用点迹清晰,特别是第一点没有拉成长条的纸带
C.操作时应在接通电源的同时放开纸带
D.打点计时器应接在电压为4~6 V的直流电源上
答案：B
1 2 3 4 5
3.(多选)下列关于验证机械能守恒定律实验的实验误差的说法中,正确的是( )
A.重物质量的称量不准会造成较大误差
B.重物质量选用得较大些,有利于减小误差
C.重物质量选用得较小些,有利于减小误差
D.先释放纸带后接通电源会造成较大误差
解析：实验中,只需比较ghn与 的值即可验证机械能守恒定律是否成立,与重物质量无关,选项A错误;重物质量大些,则在下落过程中,空气阻力可忽略不计,有利于减小误差,选项B正确,选项C错误;应先接通电源,打点计时器工作稳定后,再释放纸带,有利于减小误差,选项D正确。
答案：BD
1 2 3 4 5
4.在验证机械能守恒定律的实验中:
(1)供实验选择的重物有以下四个,应选择( )
A.质量为10 g的砝码 B.质量为200 g的木球
C.质量为50 g的塑料球 D.质量为200 g的铁球
(2)质量m=1 kg的物体自由下落,得到如图所示的纸带,相邻计数点间的时间间隔为0.04 s,那么从打点计时器打下起点O到打下B点的过程中, 物体重力势能的减少量Ep= J,此过程中物体动能的增加量Ek= J。(g取9.8 m/s2,保留三位有效数字)?
1 2 3 4 5
解析：(1)为减小实验误差应选用铁球。
(2)ΔEp=mghOB≈2.28 J
答案：(1)D (2)2.28 2.26
1 2 3 4 5
5(选做题)为了验证机械能守恒定律,我们提供了如图所示的实验装置。某同学进行了如下操作并测出如下数据:
1 2 3 4 5
①用天平测定小球的质量为0.50 kg。
②用游标卡尺测出小球的直径为10.0 mm。
③用刻度尺测出电磁铁下端到光电门的距离为80.80 cm。
④电磁铁先通电,让小球吸在开始端。
⑤电磁铁断电时,小球自由下落。
(1)在小球经过光电门时间内,计时装置记下小球经过光电门所用时间为2.50×10-3 s,由此可算得小球经过光电门的速度为 m/s。?
(2)计算得出重力势能的减少量为 J,小球动能增加量为 J。(结果保留三位数字)?
(3)试根据(2)对本实验下结论:? 。?
1 2 3 4 5
解析：(1)小球经过光电门所用时间很短,可看作匀速直线运动,所以v= =4 m/s;
(2)小球的重力势能的减少量Ep减=mgh=4.04 J,小球动能增加量Ek增= mv2-0=4.00 J;
(3)可见在误差允许范围内,小球的机械能是守恒的。
答案：(1)4 (2)4.04 4.00 (3)在误差允许范围内,小球的机械能是守恒的
9.实验:验证机械能守恒定律
一
二
三
四
一、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。
一
二
三
四
二、实验器材
铁架台(带铁夹)、打点计时器、重物(带纸带夹子)、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、学生电源。
一
二
三
四
三、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:
一
二
三
四
四、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。
一
二
三
四
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h1、h2、h3、…。
实验指导
典例剖析
一、实验注意事项
1.先接通电源打点,后释放纸带。
4.测量下落高度时,为减小实验误差,后边的点应距起点O较远,在测量各点到O点的距离时,应当用刻度尺从O点量起,一次性读出各点到O点的距离。
实验指导
典例剖析
二、数据处理
1.求瞬时速度
2.守恒验证
方法一:利用起始点。
实验指导
典例剖析
方法三:图象法。
从纸带上选取多个点,测量从第一个点到其余各点的下落高度h,并计算各点速度的二次方v2,然后以 v2为纵轴, 以h为横轴,根据实验数据绘出 v2-h图线。
若在误差允许的范围内图象是一条过原点 且斜率为g的直线,则验证了机械能守恒定律。
实验指导
典例剖析
三、误差分析
1.测量长度会带来偶然误差。减小偶然误差的办法:
(1)测距离都应从O点测起。
(2)多次测量取平均值。
(3)选取的计数点应尽可能离O点远些,以减小相对误差。
2.重物在拖着纸带下落的过程中必然受到阻力作用,主要是打点计时器与纸带间的摩擦力以及空气的阻力。克服这些阻力做功要消耗能量,所以重物动能的增加量必定小于重力势能的减少量。这是实验设计上带来的系统误差。
3.打点计时器周期变化带来误差。
实验指导
典例剖析
【例题1】 (实验原理及过程的理解)某同学利用重物自由下落来“验证机械能守恒定律”的实验装置如图甲所示。
实验指导
典例剖析
(1)请指出实验装置中存在的明显错误? 。?
(2)进行实验时,为保证重物下落时初速度为零,应 (选填“A”或“B”)。?
A.先接通电源,再释放纸带
B.先释放纸带,再接通电源
(3)根据打出的纸带,选取纸带上连续打出的1、2、3、4四个点如图乙所示。已测出点1、2、3、4到打出的第一个点O的距离分别为h1、h2、h3、h4,打点计时器的打点周期为T。若代入所测数据能满足表达式gh3= ,则可验证重物下落过程机械能守恒(用题目中已测出的物理量表示)。?
实验指导
典例剖析
解析：(1)从图甲中的实验装置中发现,打点计时器接在了直流电源上,打点计时器的工作电源是低压交流电源。因此,明显的错误是打点计时器不能接在直流电源上。
(2)为了使纸带上打下的第1个点是速度为零的初始点,应该先接通电源,让打点计时器正常工作后,再释放纸带。若先释放纸带,再接通电源,当打点计时器打点时,纸带已经下落,打下的第1个点的速度不为零。因此,为保证重物下落的初速度为零,应先接通电源,再释放纸带。
实验指导
典例剖析
答案：(1)打点计时器不能接直流电源(或打点计时器应接交流
电源) (2)A
实验指导
典例剖析
【例题2】(实验数据的处理)在“验证机械能守恒定律”的实验中,打点计时器所用电源频率为50 Hz,
当地重力加速度的值为9.80 m/s2,测得所用重物的质量为1.0 kg。甲、乙、丙三个学生分别用同一装置打出三条纸带,量出各纸带上前两个点间的距离分别为0.18 cm、0.18 cm和0.25 cm,可看出其中肯定有一个学生在操作上出现了问题,出现的问题是 。若按实验要求正确地选出纸带如图所示(相邻计数点的时间间隔为0.02 s),那么:?
实验指导
典例剖析
(1)纸带的 (选填“左”或“右”)端与重物相连。?
(2)打点计时器打下计数点B时,重物的速度vB= 。?
(3)从起点O到打下计数点B的过程中重物重力势能的减少量Ep减= ,此过程中重物动能的增加量Ek增= 。?
(4)通过计算,数值上Ep减 (选填“>”“=”或“<”)Ek增,这是因为 ? 。?
(5)实验的结论是 。?
实验指导
典例剖析
解析：如果重物做自由落体运动,前两个点间的距离应接近于0.2 cm,而丙同学的纸带上前两个点间的距离远大于这个值,说明重物在打第1点时已有速度,故丙同学在操作时出现的问题是先释放纸带后接通电源。
(1)纸带左端相邻两点之间的距离小,故纸带左端与重物相连。(2)B点对应的速度vB= =0.98 m/s。(3)Ep减=mghOB=0.49 J,Ek增=
=0.48 J。(4)Ep减>Ek增,在实验中存在阻力,重物的重力势能不能完全转化为动能。(5)在实验误差允许的范围内,重物的机械能守恒。
答案：先释放纸带后接通电源 (1)左 (2)0.98 m/s (3)0.49 J 0.48 J (4)> 实验中存在阻力,重物的重力势能不能完全转化为动能 (5)在误差允许的范围内,重物的机械能守恒
实验指导
典例剖析
变式训练1 某同学做验证机械能守恒定律实验时,不慎将一条挑选出的纸带一部分损坏,损坏的是前端部分。剩下的一段纸带上各相邻点间的距离已测出标在图中,单位是cm。打点计时器工作频率为50 Hz,重力加速度g取9.8 m/s2,重物质量m=1.00 kg。?
(1)重物在2点的速度v2= ,在5点的速度v5= ,此过程中动能增加量ΔEk= ,重力势能减少量ΔEp= 。由以上可得出实验结论 ? 。?
实验指导
典例剖析
(2)根据实验判断下列图中正确的图象是(其中ΔEk表示物体动能的变化量,Δh表示物体下落的高度) 。?
实验指导
典例剖析
(2)物体机械能守恒,应有物体减少的重力势能转化为增加的动能,即ΔEk=mgΔh,可见物体增加的动能与下落的距离成正比,选项C正确。
答案：(1)1.50 m/s 2.075 m/s 1.03 J 1.06 J 在误差允许的范围内,机械能守恒 (2)C
实验指导
典例剖析
甲
乙
【例题3】(实验创新设计)为了探究机械能守恒定律,某同学设计了如图甲所示的实验装置,并提供了如下的实验器材:
A.小车 B.钩码
C.一端带滑轮的木板 D.细线
E.电火花计时器 F.纸带
G.毫米刻度尺 H.低压交流电源
I.220 V的交流电源
实验指导
典例剖析
(1)根据上述实验装置和提供的实验器材,你认为实验中不需要的器材是 (填写器材序号),还应补充的器材是 。?
(2)实验中得到了一条纸带如图乙所示,选择点迹清晰且便于测量的连续7个点(标号0~6),测出0到1、2、3、4、5、6点的距离分别为d1、d2、d3、d4、d5、d6,打点周期为T。则打点2时小车的速度v2= ;若测得小车质量为M、钩码质量为m,打点1和点5时小车的速度分别用v1、v5表示,已知重力加速度为g,则验证点1与点5间系统的机械能守恒的关系式可表示为 。?
实验指导
典例剖析
实验指导
典例剖析
变式训练2 如图甲中,悬点正下方P点处放有水平放置炽热的电热丝,当悬线摆至电热丝处时能轻易被烧断,小球由于惯性向前飞出做平抛运动。在地面上放上白纸,上面覆盖着复写纸,当小球落在复写纸上时,会在下面白纸上留下痕迹。用重垂线确定出A、B点的投影点N、M。重复实验10次(小球每一次都从同一点由静止释放)球的落点痕迹如图乙所示,图中刻度尺水平放置,零刻度线与M点对齐。用刻度尺量出AN的高度h1、BM的高度h2,算出A、B两点的竖直距离,再量出M、C之间的距离x,即可验证机械能守恒定律,已知重力加速度为g,小球的质量为m。?
实验指导
典例剖析
(1)根据图乙可以确定小球平抛时的水平射程为 cm。?
(2)用题中所给字母表示出小球平抛时的初速度v0= 。?
(3)用测出的物理量表示出小球从A到B过程中,重力势能的减少量Ep减= ,动能的增加量Ek增= 。?
实验指导
典例剖析
解析：(1)根据刻度尺的读数原则,可知其读数为65.0 cm。
(2)物体从B点平抛,有
x=v0t
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1.在验证机械能守恒定律实验中,纸带将被释放瞬间的四种情况如照片所示,其中最合适的是( )
答案：D
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2.利用重物下落验证机械能守恒定律的实验中,下面叙述正确的是( )
A.应该用天平称出重物的质量
B.应该选用点迹清晰,特别是第一点没有拉成长条的纸带
C.操作时应在接通电源的同时放开纸带
D.打点计时器应接在电压为4~6 V的直流电源上
答案：B
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3.(多选)下列关于验证机械能守恒定律实验的实验误差的说法中,正确的是( )
A.重物质量的称量不准会造成较大误差
B.重物质量选用得较大些,有利于减小误差
C.重物质量选用得较小些,有利于减小误差
D.先释放纸带后接通电源会造成较大误差
解析：实验中,只需比较ghn与 的值即可验证机械能守恒定律是否成立,与重物质量无关,选项A错误;重物质量大些,则在下落过程中,空气阻力可忽略不计,有利于减小误差,选项B正确,选项C错误;应先接通电源,打点计时器工作稳定后,再释放纸带,有利于减小误差,选项D正确。
答案：BD
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4.在验证机械能守恒定律的实验中:
(1)供实验选择的重物有以下四个,应选择( )
A.质量为10 g的砝码 B.质量为200 g的木球
C.质量为50 g的塑料球 D.质量为200 g的铁球
(2)质量m=1 kg的物体自由下落,得到如图所示的纸带,相邻计数点间的时间间隔为0.04 s,那么从打点计时器打下起点O到打下B点的过程中, 物体重力势能的减少量Ep= J,此过程中物体动能的增加量Ek= J。(g取9.8 m/s2,保留三位有效数字)?
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解析：(1)为减小实验误差应选用铁球。
(2)ΔEp=mghOB≈2.28 J
答案：(1)D (2)2.28 2.26
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5(选做题)为了验证机械能守恒定律,我们提供了如图所示的实验装置。某同学进行了如下操作并测出如下数据:
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①用天平测定小球的质量为0.50 kg。
②用游标卡尺测出小球的直径为10.0 mm。
③用刻度尺测出电磁铁下端到光电门的距离为80.80 cm。
④电磁铁先通电,让小球吸在开始端。
⑤电磁铁断电时,小球自由下落。
(1)在小球经过光电门时间内,计时装置记下小球经过光电门所用时间为2.50×10-3 s,由此可算得小球经过光电门的速度为 m/s。?
(2)计算得出重力势能的减少量为 J,小球动能增加量为 J。(结果保留三位数字)?
(3)试根据(2)对本实验下结论:? 。?
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解析：(1)小球经过光电门所用时间很短,可看作匀速直线运动,所以v= =4 m/s;
(2)小球的重力势能的减少量Ep减=mgh=4.04 J,小球动能增加量Ek增= mv2-0=4.00 J;
(3)可见在误差允许范围内,小球的机械能是守恒的。
答案：(1)4 (2)4.04 4.00 (3)在误差允许范围内,小球的机械能是守恒的