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PPT

(共30张PPT)
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。
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。
【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。
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。
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。
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。
【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)2
m
=2
mm。
(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=
mv2,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s1=8.89
cm,s2=9.50
cm,s3=10.10
cm;当地重力加速度大小为9.80
m/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
40
Hz。
答案:(1)
　
　
　
(2)40