第四章实验.ppt

实验：验证机械能守恒定律,1.,会用打点计时器打下的纸带计算物体的运动速度和位移。,2.,探究自由落体运动物体的机械能守恒。,让物体自由下落，在忽略阻力情况下，探究物体的机械能守,恒，有两种方案探究物体的机械能守恒：,1.,以物体下落的起始点,O,为基准，测出物体下落高度,h,时的速度,大小,v,，若,mv,2,=,mgh,成立，则可验证物体的机械能守恒。,2.,测出物体下落高度,h,过程的初、末时刻的速度,v,1,、,v,2,，若关,系式,mv,2,2,-mv,1,2,=,mgh,成立，则物体的机械能守恒。,铁架台,(,带铁夹,),、电磁打点计时器、低压交流电源,(4,6 V),、重物、毫米刻度尺、纸带,(,带夹子,),、复写纸片、导线,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,然后再松开纸带,让重物带着纸带自由下落。更换纸带,按上述要求再重复做,3,5,次。,3.,选纸带：分两种情况。,(1),用原理式,mgh,=mv,2,验证时,应选点迹清晰且,1,、,2,两点间距,离小于或接近,2mm,的纸带。若,1,、,2,两点间的距离大于,2mm,这是,由于先释放纸带,后接通电源造成的。这样,第,1,个点就不是运,动的起始点了,纸带上第,1,个点对应的动能就不等于零。,(2),用,mgh,=,验证时,由于重力势能的相对性,处,理纸带时,选择适当的点为基准点,这样纸带上打出的第,1,、,2,两,点间的距离是否为,2mm,就无关紧要了,所以只要后面的点迹清晰,就可选用。,4.,测距离：用毫米刻度尺测出,O,点到,1,、,2,、,3,各计数点的距离,求出重物对应于各点下落的高度,h,1,、,h,2,、,h,3,并将各点对应的,高度填入设计的表格中。,二、实验数据处理,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,h,1,、,h,2,、,h,3,再利用匀变速直线运动公式,v,n,=,计算出,1,、,2,、,3,、,4,、,n,点的瞬时速度,v,1,、,v,2,、,v,3,、,v,4,v,n,。,2.,实验验证,“,三法,”,：,方法一：利用起始点,O,和,n,个计数点，分别计算出各点对应的重,力势能和动能。设起始点,O,处的重力势能为零，则各计数点处,的重力势能为,-,mgh,n,，对应的动能为,mv,n,2,，如果在实验误差允,许的范围内,gh,n,=v,n,2,，则机械能守恒。,方法二：任意选取两点,A,、,B,，测出,h,AB,，计算出,gh,AB,；再计算出,v,A,、,v,B,、,v,B,2,-v,A,2,的值，如果在实验误差允许的范围内,gh,AB,=,v,B,2,-v,A,2,，则机械能守恒。,方法三：图像法。从纸带上多选取几个计数,点，测量出,O,点,(,起始点,),到其余各计数点的,距离,(,物体下落的高度,)h,，并计算出各点速度,的平方,v,2,，然后以,v,2,为纵轴，以,h,为横轴，,根据实验数据绘出,v,2,-h,图线。若在误差允许的范围内图像是,一条过原点且斜率为,g,的直线，则验证了机械能守恒定律。,1.,系统误差：在只有重力对物体做功时,物体的动能和重力势能可以相互转化,且动能和重力势能的总和保持不变。但实验不可避免地存在阻力,(,打点计时器与纸带间的摩擦阻力、空气阻力等,),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。改进的办法是改进器材,尽量减小阻力。,2.,偶然误差：在进行长度测量时,测量及读数不准造成误差。,减小误差的办法：,(1),测量距离时都必须从起始点,O,开始依次测量。,(2),多测几次,取平均值。,(3),读数时视线应和刻度线在同一水平面上。,3.,打点计时器产生的误差：,(1),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。,(2),振动片振动不均匀,打点过浅或过紧造成误差；纸带放置的,方法不正确,计数点选取的不好,都会造成误差。,1.,尽量减小各种阻力而减小实验误差,可采取如下措施：,(1),物体选用体积小、密度大的重锤,且力求纸带下落前保持竖直,以减小系统误差。,(2),打点计时器必须稳固安装在铁架台上,并且两个限位孔的中线要严格在同一竖直线上,以减小纸带受到的摩擦阻力。,2.,实验时,必须先接通电源,让打点计时器正常且稳定工作后,再松开纸带让重物下落。,3.,对纸带进行测量时,应一次性测出各计数点到起始点,O,的距离,不能分阶段测量,为了减小测量值,h,的相对误差,选取的各个计,数点要离起始点,O,尽量远一些,纸带也不易过长,有效长度可在,60,80cm,。,4.,不必测量出物体的质量,只要验证,gh,n,=,即可。,热点,1,实验器材及步骤的考查,【,典例,1】,(2013,长沙高一检测,),某同学利用重物自由下落来探究机械能守恒定律,(1),从下列器材中选出实验所必需的器材,其编号为,_,。,A.,重物,B.,打点计时器,C.,直流电源,D.,天平,E.,停表,F.,低压交流电源,G.,毫米刻度尺,H.,小车,(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),下面列举了该实验的几个操作步骤,A.,按照图示的装置安装器材；,B.,将打点计时器接到电源的直流输出端上；,C.,用天平测量出重物的质量；,D.,用停表测出重物下落的时间,E.,测量打出的纸带上某些点之间的距离；,F.,根据测量的结果计算重物下落过程中减少的重力势能是否等,于增加的动能。,指出其中没有必要进行的或者操作不恰当的步骤,将其选项对,应的字母填在下面的横线上,并说明原因：,_,_,。,【,标准解答,】,(1),用落体法验证机械能守恒时,根据打点计时器,打在纸带上的点,测出重物下落的高度,h,和对应的瞬时速度,v,探,究减少的重力势能,E,p,=,mgh,增加的动能,E,k,=mv,2,比较,mgh,与,mv,2,若,mgh,=mv,2,即,gh,=v,2,机械能守恒得到验证。由于等式,两边均有,m,没有必要测量,m,所以天平是多余的,用打点计时器,测定时间,所以,不用直流电源和停表,研究对象是重物不是小,车。所以应选,A,、,B,、,F,、,G,。,(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。,(3),步骤,B,是错误的,应该接到电源的交流输出端；步骤,C,没必要,因为根据测量原理,重物的动能和势能中都包含了质量,m,可以约去,没必要用天平测量出重物的质量,步骤,D,是没必要的,因为用落体法验证机械能守恒定律时,是用打点计时器打出的纸带测量下落位移和下落时间,并计算出各点的瞬时速度,没有必要用停表测量时间。,答案：,(1)A,、,B,、,F,、,G,(2)A,(3),见标准解答,热点,2,实验原理与误差分析,【,典例,2】,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的一部分损坏,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,50Hz,重力加速度,g,取,9.8m/s,2,。,(1),重物在,2,点的速度,v,2,=,在,5,点的速度,v,5,=,此过程中动能增加量,E,k,=_,重力势能减少量,E,p,=_,。由以上可得出实验结论,_,。,(2),重物获得的动能往往,(A.,大于,B.,小于,C.,等于,),减少的重力势能,实验中产生系统误差的原因是,_,。,(3),根据实验判断下列图像正确的是,(,其中,E,k,表示重物动能的变化量,h,表示物体下落的高度,)(,),【,标准解答,】,(1),根据匀变速直线运动的规律,可以求出重物在,2,点的速度,v,2,=,m/s,=1.50m/s,重物在,5,点的速度,v,5,=,m/s,=2.075m/s,所以动能增加量为,E,k,=,=1.03mJ,重物从,2,点到,5,点,重力势能减少量为,E,p,=mgh,25,=m,9.8,(3.2+3.6+4.0),10,-2,J=1.06mJ,由以上可,得出实验结论为：在误差允许的范围内,机械能守恒。,(2),由于纸带受到摩擦力作用,需克服摩擦力做功,所以获得的,动能小于减少的重力势能。,(3),重物机械能守恒,重物减少的重力势能转化为增加的动能,即,E,k,=,mgh,可见重物增加的动能与下落的距离成正比,选项,C,正确。,答案：,(1)1.50m/s,2.075m/s,1.03mJ,1.06mJ,在误差允许的范围内,机械能守恒,(2)B,纸带受到摩擦力作用,(3)C,