高中物理粵教版第四章機(jī)械能和能源 第4章第5節(jié)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律

第五節(jié)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．會(huì)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的紙帶計(jì)算物體的運(yùn)動(dòng)速度和位移．2．探究自由落體運(yùn)動(dòng)物體的機(jī)械能守恒．二、實(shí)驗(yàn)原理讓物體自由下落，在忽略阻力情況下，探究物體的機(jī)械能守恒，有兩種方案探究物體的機(jī)械能守恒：1．以物體下落的起始點(diǎn)O為基準(zhǔn)，測(cè)出物體下落高度h時(shí)的速度大小v，若eq\f(1,2)mv2＝mgh成立，則可驗(yàn)證物體的機(jī)械能守恒．2．測(cè)出物體下落高度h過(guò)程的初、末時(shí)刻的速度v1、v2，若關(guān)系式eq\f(1,2)mveq\o\al(2,2)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,1)＝mgh成立，則物體的機(jī)械能守恒．三、實(shí)驗(yàn)器材鐵架臺(tái)(帶鐵夾)、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、低壓交流電源(4～6V)、重物、毫米刻度尺、紙帶(帶夾子)、復(fù)寫(xiě)紙片、導(dǎo)線(xiàn)．一、實(shí)驗(yàn)步驟1．安裝置：按圖4-5-1將檢查、調(diào)整好的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器豎直固定在鐵架臺(tái)上，接好電路．圖4-5-12．打紙帶：將紙帶的一端用夾子固定在重物上，另一端穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔，用手提著紙帶使重物靜止在靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的地方．先接通電源，后松開(kāi)紙帶，讓重物帶著紙帶自由下落．更換紙帶重復(fù)做3～5次實(shí)驗(yàn)．3．選紙帶：選取點(diǎn)跡較為清晰且有兩點(diǎn)間的距離約為2mm的紙帶，把紙帶上打出的兩點(diǎn)間的距離為2mm的第一個(gè)點(diǎn)作為起始點(diǎn)，記作O，在距離O點(diǎn)較遠(yuǎn)處再依次選出計(jì)數(shù)點(diǎn)1、2、3…4．測(cè)距離：用刻度尺測(cè)出O點(diǎn)到1、2、3…的距離，即為對(duì)應(yīng)下落的高度h1、h2、h3…二、數(shù)據(jù)處理1．計(jì)算各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度：記下第1個(gè)點(diǎn)的位置O，在紙帶上從離O點(diǎn)適當(dāng)距離開(kāi)始選取幾個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)1、2、3…n并測(cè)量出各計(jì)數(shù)點(diǎn)到O點(diǎn)的距離h1、h2、h3…h(huán)n再根據(jù)公式vn＝eq\f(hn＋1－h(huán)n－1,2T)，計(jì)算出1、2、3、4、…n點(diǎn)的瞬時(shí)速度v1、v2、v3、v4…vn.2．機(jī)械能守恒驗(yàn)證方法一：利用起始點(diǎn)和第n點(diǎn)．從起始點(diǎn)到第n個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，重力勢(shì)能減少量為mghn，動(dòng)能增加量為eq\f(1,2)mveq\o\al(2,n)，計(jì)算ghn和eq\f(1,2)veq\o\al(2,n)，如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)ghn＝eq\f(1,2)veq\o\al(2,n)，則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證．方法二：任取兩點(diǎn)A、B.從A點(diǎn)到B點(diǎn)，重力勢(shì)能減少量為mghA－mghB，動(dòng)能增加量為eq\f(1,2)mveq\o\al(2,B)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,A)，計(jì)算ghAB和eq\f(1,2)veq\o\al(2,B)－eq\f(1,2)veq\o\al(2,A)，如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)ghAB＝eq\f(1,2)veq\o\al(2,B)－eq\f(1,2)veq\o\al(2,A)，則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證．方法三：圖像法．計(jì)算各計(jì)數(shù)點(diǎn)eq\f(1,2)v2，以eq\f(1,2)v2為縱軸，以各計(jì)數(shù)點(diǎn)到第一個(gè)點(diǎn)的距離h為橫軸，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出eq\f(1,2)v2-h圖線(xiàn)．若在誤差許可的范圍內(nèi)圖像是一條過(guò)原點(diǎn)且斜率為g的直線(xiàn)，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律．圖4-5-2三、誤差分析1．在進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量時(shí)，測(cè)量及讀數(shù)不準(zhǔn)造成誤差．2．重物下落要克服阻力做功，部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，下落高度越大，機(jī)械能損失越多，所以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了各計(jì)數(shù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的機(jī)械能依次略有減小的現(xiàn)象．3．由于交流電的周期不穩(wěn)定，造成打點(diǎn)時(shí)間間隔變化而產(chǎn)生誤差．四、注意事項(xiàng)1．應(yīng)盡可能控制實(shí)驗(yàn)滿(mǎn)足機(jī)械能守恒的條件，這就要求盡量減小各種阻力的影響，采取的措施有：(1)安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，必須使兩個(gè)限位孔的中線(xiàn)嚴(yán)格豎直，以減小摩擦阻力．(2)應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物，增大重力可使阻力的影響相對(duì)減小，增大密度可以減小體積，使空氣阻力減?。?．紙帶選?。?1)以第一個(gè)點(diǎn)為起點(diǎn)時(shí)，要驗(yàn)證的是eq\f(1,2)mveq\o\al(2,n)＝mghn，必須保證紙帶上的第一個(gè)點(diǎn)為重物靜止釋放時(shí)打的點(diǎn)，所以前兩個(gè)點(diǎn)的間距為h＝eq\f(1,2)gt2＝eq\f(1,2)×10×2m＝2mm.(2)以下落中某點(diǎn)為起點(diǎn)時(shí)，要驗(yàn)證的是eq\f(1,2)mveq\o\al(2,m)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,n)＝mghmn，這時(shí)選擇紙帶不需要滿(mǎn)足兩點(diǎn)間距為2mm.3．計(jì)算速度時(shí)不能用v＝gt或v＝eq\r(2gh)，否則就犯了用機(jī)械能守恒定律去驗(yàn)證機(jī)械能守恒的錯(cuò)誤.實(shí)驗(yàn)探究1實(shí)驗(yàn)原理和操作步驟在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，下面列出一些實(shí)驗(yàn)步驟：A．用天平稱(chēng)出重物和夾子的重量B．把重物系在夾子上C．將紙帶穿過(guò)計(jì)時(shí)器，上端用手提著，下端夾上系住重物的夾子，再把紙帶向上拉，讓夾子靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器靜止D．把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接在學(xué)生電源的交流輸出端，把輸出電壓調(diào)至6V(電源不接通)E．把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在桌邊的鐵架臺(tái)上，使兩個(gè)限位孔在同一豎直線(xiàn)上F．在紙帶上選取幾個(gè)點(diǎn)，進(jìn)行測(cè)量和記錄數(shù)據(jù)G．用秒表測(cè)出重物下落時(shí)間H．接通電源，待計(jì)時(shí)器響聲穩(wěn)定后釋放紙帶I．切斷電源J．更換紙帶，重新進(jìn)行兩次K．在三條紙帶中選出較好的一條L．進(jìn)行計(jì)算，得出結(jié)論，完成報(bào)告M．拆下導(dǎo)線(xiàn)，整理器材以上步驟中，不必要的有________，正確步驟的合理順序是________(填寫(xiě)字母)．【解析】只為了驗(yàn)證機(jī)械能守恒，沒(méi)必要稱(chēng)量重物的質(zhì)量．打點(diǎn)計(jì)時(shí)器本身就是計(jì)時(shí)儀器，不再需要秒表．【答案】AGEDBCHIJMKFL實(shí)驗(yàn)探究2數(shù)據(jù)處理與誤差分析某同學(xué)做驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)時(shí)，不慎將一條挑選出的紙帶的一部分損壞，損壞的是前端部分．剩下的一段紙帶上各相鄰點(diǎn)間的距離已測(cè)出標(biāo)在圖4-5-3中，單位是cm.打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作頻率為50Hz，重力加速度g取m/s2.圖4-5-3(1)重物在2點(diǎn)的速度v2＝________，在5點(diǎn)的速度v5＝________，此過(guò)程中動(dòng)能增加量ΔEk＝________，重力勢(shì)能減少量ΔEp＝________.由以上可得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論________________________________________________________________________________________________________________________.(2)重物獲得的動(dòng)能往往________(A.大于B．小于C．等于)減少的重力勢(shì)能，實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的原因是_____________________________．(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)判斷下列圖像正確的是(其中ΔEk表示重物動(dòng)能的變化量，Δh表示物體下落的高度)()【解析】(1)根據(jù)勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，可以求出重物在2點(diǎn)的速度v2＝eq\f(＋×10－2,2×m/s＝m/s，重物在5點(diǎn)的速度v5＝eq\f(＋×10－2,2×m/s＝m/s，所以動(dòng)能增加量為ΔEk＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,5)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,2)＝J，重物從2點(diǎn)到5點(diǎn)，重力勢(shì)能減少量為ΔEp＝mgh25＝m××＋＋×10－2J＝J，由以上可得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論為：在誤差允許的范圍內(nèi)，機(jī)械能守恒．(2)由于紙