7.9 实验：验证机械能守恒定律.doc

7.9 实验：验证机械能守恒定律理解领悟本实验属验证性学生实验，实验目的是利用重物的自由下落验证机械能守恒定律。要掌握实验的方法与技巧、实验数据的采集与处理，分析实验误差，从而不仅从理论上了解机械性能守恒定律，而且通过实际观测从感性上增加认识，深化对机械能守恒定律的理解。教材中介绍了测量瞬时速度的更为简单而准确的方法，要明白其道理。教学目标：1.理解实验的思路，明确测量的物理量.2.能正确地进行实验操作.3.会根据纸带测定下落的距离，掌握瞬时速度测量的方法. 知道测量点的选取条件4. 能对实验的误差原因进行定性分析，并采取措施减小误差，能根据实验数据得出实验结论.一、实验设计1、实验原理用研究物体自由下落的运动来验证机械能守恒定律的实验原理是：忽略空气阻力，自由下落的物体在运动过程中机械能守恒，即动能的增加等于重力势能的减少。具体地说：若以重物下落的起始点O为基准，设重物的质量为m，测出物体自起始点O下落距离h时的速度v，则在误差允许范围内，由计算得出，机械能守恒定律即被验证。若以重物下落过程中的某一点A为基准，设重物的质量为m，测出物体对应于A点的速度vA，再测出物体由A点下落h后经过B点的速度vB，则在误差允许范围内，由计算得出 ，机械能守恒定律即被验证。2、 操作步骤实验时，可按以下步骤进行： 用天平称出重物的质量； 把打点计时器固定到桌边的铁架台上； 把打点计时器接到低压交流电源上； 把纸带固定到重物上，并把纸带穿过打点计时器，提升到一定高度； 接通电源，释放纸带； 断开电源，调整纸带，重做两次； 拆掉导线，整理仪器； 用毫米刻度尺测出计数点间的相关距离，记录数据，并计算出结果，得出结论。二、速度的测量1、纸带的选取关于纸带的选取，我们分两种情况加以说明： 用验证 这是以纸带上第一点（起始点）为基准验证机械能守恒定律的方法。由于第一点应是重物做自由落体运动开始下落的点，所以应选取点迹清晰且第1、2两点间的距离接近2mm的纸带。 用验证 这是回避起始点，在纸带上选择后面的某两点验证机械能守恒定律的方法。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，势能的大小不必从起始点开始计算。这样，纸带上打出起始点O后的第一个0.02s内的位移是否接近2mm，以及第一个点是否清晰也就无关紧要了。实验打出的任何一条纸带，只要后面的点迹清晰，都可以用于计算机械能是否守恒。2、速度的测量测量瞬时速度的更为简单而准确的方法：做匀变速直线运动的纸带上某点的瞬时速度，等于相邻两点间的平均速度。测定第n点的瞬时速度vn：依据“物体做匀变速直线运动，在某段时间内的平均速度等于这段时间中间时刻的瞬时速度”，用公式vn=（hn+1-hn-1）/2T计算(T为打下相邻两点的时间间隔)。对此，教材中有详细的导出过程，我们也可换一种思路进行推导：如教材图5.9-2所示，由于纸带做匀加速运动，故有A、C之间的平均速度。又根据速度公式有 vB=vA+at，vC=vB+at，故有 vBvA= vCvB，图559tvCvv0vAvBOtAtBtC即 。 从而， 。 对于上述结论，我们不但应当懂得公式导出的道理，会推导公式，还可以结合vt图象了解时间中点的瞬时速度和相应时间内平均速度相等的物理意义，2. 误差分析重物和纸带下落过程中要克服阻力，主要是纸带与计时器之间的摩擦力。计时器平面不在竖直方向，纸带平面与计时器平面不平行是阻力增大的原因。电磁打点计时器的阻力大于电火花计时器。由于阻力的存在，重物动能的增加量稍小于势能的减少量，即EkEp。交流电的频率f不是50Hz也会带来误差。若f50Hz，由于速度值仍按频率为50Hz计算，频率的计算值比实际值偏小，周期值偏大，算得的速度值偏小，动能值也就偏小，使EkEp的误差进一步加大；根据同样的道理，若f50Hz，则可能出现EkEp的结果。实验用的纸带一般小于1m，从起始点开始大约能打出20个点。终结位置的点可选择倒数第二个点，从这一个点向前数46个点当开始的点，可以减小这两个点瞬时速度及两点之间距离（高度差h）测量的误差。二、功能原理（或称功能关系）1）由动能定理可以知道，外力对物体做功的代数和等于物体动能的增量，可表示为：W=Ek这里说的外力包括作用于物体上的全部做功的力，可分为三部分：(1)系统内的重力、弹力；(2)系统内的摩擦力；(3)系统外物体对它的作用力，则动能定理的表达式可写成W重+W弹+W摩擦+W外=Ek，又因为：W重=EP重，W弹=EP弹，所以有：W摩擦+W外=Ek+EP重+EP弹等式的右边为动能的增量跟势能增量的和，即为物体机械能的增量，即：W摩擦+W外=E表述为：除重力、弹簧弹力以外力对物体做功的代数和，等于物体机械能的增量。这就是功能原理。2）功能原理、动能定理都是“功是能量转化的量度”这一功能实质关系的体现。只是考查