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第七章 9.实验:验证机械能守恒定律_图文

9.实验:验证机械能守恒定律 1.实验原理:自由落体运动中,物体的重力势能和动能可 以相互转化,总的机械能守恒.设某时刻物体的瞬时速度为 v, 1 2 mgh=2mv .利用打点计时器,通 下落高度为 h,则有________________ 瞬时速度 ,即可 过纸带测出重物某时刻下落的高度及该时刻的_________ 验证机械能守恒定律. 刻度尺 、纸带、复写纸片、 2.实验器材:打点计时器、________ 重物、低压交流电源 ____________、带有夹子的铁架台、导线等. 3.减小实验误差:为了减小阻力对实验的影响,应采用密 较大 填“较大”或“较小”)的重物,纸带应 竖直 度________( ________ 放置. 4.关于“验证机械能守恒定律”的实验,下列叙述的步骤 中,正确的或必要的是( C ) A.利用天平测出重锤的质量 B.采用直流低压电源接打点计时器 C.先接通电源,后释放纸带 D.用秒表测出重锤下落的时间 5.在“验证机械能守恒定律”的实验中,通过计算得到的 有( D ) A.重锤的质量 B.重锤的下落时间 C.重锤的下落高度 D.与重锤下落高度对应的瞬时速度 解析:重锤的质量不需要测量;打点计时器是计时的仪器, 故下落时间不需要计算;重锤下落的高度要测量出来;只有与 重锤下落高度对应的瞬时速度需要用平均速度计算出来. 落体法验证机械能守恒定律 【实验目的】 研究物体自由下落过程中动能与势能的变化,从而验证机 械能守恒定律. 【实验原理】 (1)在只有重力做功的自由落体运动中,物体的重力势能和 动能互相转化,但总的机械能保持不变.若物体某时刻的瞬时 速度为 v,下落高度为 h,则重力势能的减少量为 mgh,动能的 1 2 增加量为—mv ,看它们在实验误差允许的范围内是否相等,若 2 相等则验证了机械能守恒定律. (2)速度的测量:做匀变速直线运动时,纸带上某点的瞬时 速度等于相邻两点间的平均速度.计算打第 n 个点时的瞬时速 度的方法是:测出第 n 个点前后相邻两段相等时间 T 内下落的 xn+xn+1 距离 xn 和 xn+1,由公式 vn=________ 算出,如图 7-9-1 所示. 2T 【实验器材】 图 7-9-1 铁架台(带铁夹)、打点计时器、重物(带纸带夹子)、纸带若 干条、复写纸片、导线、刻度尺、学生电源等. 【实验步骤】 (1)安装:如图 7-9-2 所示,将打点计时器固定在铁架台 上;用导线将打点计时器与低压交流电源相连接. 图 7-9-2 (2)纸带打点:把纸带的一端在重物上用夹子固定好,另一 端穿过打点计时器的限位孔,用手提着纸带,使重物停靠在打 接通电源 ,待打点稳定后再____________ 释放纸带 , 点计时器附近,先___________ 让重物自由下落.重复几次,打下 3~5 条纸带. (3)选纸带:选取点迹较为清晰的纸带,挑选纸带上第一个 点及距离第一个点较远的点,并依次标上 0、1、2、3…… (4)数据测量:测出点 0 到点 1、点 2、点 3……的距离,即 为对应的下落高度 h1、h2、h3…… (5)数据处理:利用打点计时器记录在纸带上物体自由下落 的高度 hn,计算出瞬时速度 vn,便可验证物体的重力势能减少 1 2 量 ΔEp=mghn 与物体的动能增量 ΔEk=2mvn是否相等,即验证 1 2 ghn 是否等于2vn,在误差允许的范围内,若相等则证明机械能 守恒. 【注意事项】 (1)打点计时器要稳定地固定在铁架台上,打点计时器平面 与纸带限位孔调整在竖直方向上,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,可使空气阻力减小. (3)实验中,需保持提纸带的手不动,且保证纸带竖直,待 接通电源,打点计时器工作稳定后,再松开纸带. (4)测下落的高度时,要从第一个打的点测起,并且各点对 应的下落高度要一次测量完. (5)速度不能用 vn=gtn 或 vn= 2ghn计算,因为只要认为加 速度为 g,机械能当然守恒,即相当于用机械能守恒定律验证 机械能守恒定律,况且用 vn=gtn 计算出的速度比实际值大,会 得出机械能增加的结论,而因为摩擦阻力的影响,机械能应该 减少,所以速度应从纸带上直接测量计算.同样的道理,重物 1 2 下落的高度 h,也只能用刻度尺直接测量,而不能用 hn=2gtn或 v2 n hn=2g计算得到. 【误差分析】 (1)本实验中,因重物和纸带在下落过程中要克服阻力做 功,故动能的增加量一定略小于重力势能的减少量,这是不可 避免的,属于系统误差,改进的方法是调整器材的安装,尽可 能地减小阻力. (2)本实验的另一误差来源于长度的测量,属于偶然误差. 减小误差的方法是测量物体的下落距离时,所选的距离尽可能 大一些,或者多次测量取平均值. 【例题】(1)为进行“验证机械能守恒定律”的实验,有下 列器材可供选择:铁架台、打点计时器、复写纸、纸带、低压 直流电源、天平、秒表、导线、开关.其中不必要的器材是 _____________,缺少的器材是______________. (2)在“验证机械能守恒定律”的实验中,已知打点计时器 所用电源的频率为 50 Hz,查得当地的重力加速度 g=9.8 m/s2, 测得所用重物的质量为 1.00 kg.实验中得到的一条点迹清晰的 纸带,如图 7-9-3 所示,把第一个点记为 O,另选连续的 4 个点 A、B、C、D 作为测量点,待测量后知道 A、B、C、D 各 点到 O 点的距离分别为62.99 cm、70.18 cm、77.76cm、85.73cm. 根据以上数据,可知重物由 O 点运动到 C 点,重力势能的减少 量等于________J,动能的增加量等于________J.(取三位有效 数字) 图 7-9-3 解析

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