5.9实验：验证机械能守恒定律

全日制高中物理必修 教学案 第五章 机械能守恒定律 第课 共课 编撰 第 1 页年 月 日 5 9 实验 验证机械能守恒定律 班级 姓名 学号 学习目标学习目标 1 学会利用自由落体运动验证机械能守恒定律 2 进一步熟练掌握应用计时器打纸带研究物体运动的方法 学习重点学习重点 1 验证机械能守恒定律的实验原理和步骤 2 验证机械能守恒定律实验的注意事项 学习难点学习难点 验证机械能守恒定律实验的注意事项 主要内容主要内容 一 实验原理一 实验原理 物体在自由下落过程中 重力势能减少 动能增加 如果忽略空气阻力 只有重 力做功 物体的机械能守恒 重力势能的减少等于动能的增加 设物体的质量为 m 借助打点计时器打下纸带 由纸带测算出至某时刻下落的高度 h 及该时刻的瞬时速度 v 进而求得重力势能的减少量 Ep mgh 和动能的增加量 EK 1 2mv2 比较 Ep 和 EK 若在误差允许的范围内相等 即可验证机械能守恒 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 二 实验器材二 实验器材 电火花计时器 或电磁打点计时器 交流电源 纸带 复写纸片 重物 带纸带夹 子 导线 刻度尺 铁架台 带夹子 三 实验步骤三 实验步骤 1 按图装置固定好计时器 并用导线将计时器接到电压合 适的交流电源上 电火花计时器要接到 220 V 交流电源 上 电磁打点计时器要接到 4 V 6 V 的交流低压电源 上 2 将纸带的一端用小夹子固定在重物上 使另一端穿过计 时器的限位孔 用手竖直提着纸带 使重物静止在靠近 计时器的地方 3 接通电源 松开纸带 让重物自由下落 计时器就在纸 带上打下一系列小点 4 换几条纸带 重做上面的实验 5 从几条打上了点的纸带上挑选第一 二两点间的距离接 近 2 mm 且点迹清晰的纸带进行测量 6 在挑选出的纸带上 先记下打第一个点的位置 0 或 A 再任意选取几个点 1 2 3 或 B C D 等 用刻度尺量出各 点到 0 的距离 h1 h2 h3等 如图所示 7 用公式 vn hn 1 hn 1 2T 计算出各点对应的瞬时速度 v1 v2 v3等 8 计算出各点对应的势能减少量 mghn和动能的增加量 1 2mvn2的 值 进行比较 得出结论 全日制高中物理必修 教学案 第五章 机械能守恒定律 第课 共课 编撰 第 2 页年 月 日 四 实验记录四 实验记录 五 实验结论五 实验结论 在只有重力做功的情况下 物体的重力势能和动能可以相互转化 但机械能的总 量保持不变 六 实验注意事项六 实验注意事项 1 计时器要竖直地架稳 放正 架稳就是要牢固 稳定 重物下落时它不振动 放 正就是使上下两个限位孔在同一竖直平面内一条竖直线上与纸带运动方向相同 以减小纸带运动时与限位孔的摩擦 可用手提住固定好重物的纸带上端 上下拉动 纸带 寻找一个手感阻力最小的位置 2 打点前的纸带必须平直 不要卷曲 否则纸带在下落时会卷到计时器的上边缘上 从而增大了阻力 导致实验误差过大 3 接通电源前 提纸带的手必须拿稳纸带 并使纸带保持竖直 然后接通电源 待 计时器正常工作后 再松开纸带让重物下落 以保证第一个点迹是一个清晰的小 点 4 对重物的要求 选用密度大 质量大些的物体 以减小运动中阻力的影响 使重力 远大于阻力 5 纸带的挑选 应挑选第一 二两点间的距离接近 2 mm 且点迹清晰的纸带进行测量 这是因为 本实验的前提是在重物做自由落体运动的情况下 通过研究重力势能 的减少量与动能的增加量是否相等来验证机械能是否守恒的 故应保证纸带 重物 是 在打第一个点的瞬间开始下落 计时器每隔 O 02 s 打一次点 做自由落体运动 的物体在最初 0 02 s 内下落的距离 h1 1 2gt2 1 2 9 8 0 022m 0 002 m 2 mm 所以若纸带第一 二两点间的距离接近 2 mm 就意味着重物是在打第一个点 时的瞬间开始下落的 从而满足本次实验的前提条件 打第一个点物体的初速度为 零 开始做自由落体运动 6 测量下落高度时 必须从起点 o 量起 为了减小测量 的相对误差 选取的计数点 要离 O 点适当远些 纸带也不宜过长 其有效长度可在 60 cm 80 cm 以内 7 本实验并不需要知道重力势能减少量和动能增加量的具体数值 只要对 mgh 与 1 2mv2进行比较 实际上只要验证 1 2v2 gh 即可 以达到验证机械能守恒的目的 所以不必测出重物的质量 七 误差分析七 误差分析 1 做好本实验的关键是尽量减小重物下落过程中的阻力 但阻力不可能完全消除 本实验中 误差的主要来源是纸带摩擦和空气阻力 由于重物及纸带在下落中要不 断地克服阻力做功 因此物体动能的增加量必稍小于重力势能的减少量 这是系统 误差 减小系统误差的方法有选用密度大的实心重物 重物下落前纸带应保持竖直 选用电火花计时器等 2 由于测量长度会造成误差 属偶然误差 减少办法一是测距离都应从起点 0 量起 下落高度 h 适当大些 过小 h 不易测准确 过大 阻力影响造成的误差大 二是多 测几次取平均值 全日制高中物理必修 教学案 第五章 机械能守恒定律 第课 共课 编撰 第 3 页年 月 日 例一 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 50Hz 查得当地的重力加速度 g 9 80m s2 某同学选择了一条理想的纸带 用刻度尺测量时计数点对应刻度尺上的读数如图所示 图中 O 点是打点计时 器打出的第一个点 A B C D 分别是每打两个点取出的计数点 根据以 上数据 可知重物由 O 点运动到 B 点时 1 重力势能的减少量为多少 2 动能的增加量是多少 3 根据计算的数据可得出什么结论 产生误差的主要原因是什么 课后作业 课后作业 1 在 验证机械能守恒定律 的实验中 需要直接测量和间接测量的数据是重物的 A 质量 B 下落时间 C 下落高度 D 瞬时速度 2 选择纸带时 较为理想的是 A 点迹小而清晰的 B 点迹粗的 C 第一 二点距离接近 2mm 的 D 纸带长度较长的 40 50cm 3 在 验证机械能守恒定律 的实验中 有下列器材可供选择 铁架台 打点计时器 复写纸 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 4 下列实验步骤中 合理的顺序是 A 把重物系在夹子上 纸带穿过计时器 上端用手提着 下端夹上系重物的夹子 让夹子靠近打点计时器 B 把打点计时器接入学生电源交流输出端 输出电压调在 6V C 把打点计时器固定在铁架台上 使两个限位孔在同一竖直线上 D 拆下导线 整理器材 全日制高中物理必修 教学案 第五章 机械能守恒定律 第课 共课 编撰 第 4 页年 月 日 E 接通电源 释放纸带 F 断开电源 更换纸带 再进行两次实验 G 在三条纸带中选取最合适的一条 再纸带上选几个点 进行数据处理 5 在 验证机械能守恒定律 的实验中 电源频率为 50Hz 当地重力加速度 g 9 8m s2 测得所用重物质量是 1 00kg 甲 乙 丙三同学分别用同一装置打出 三条纸带 量出各纸带上第一 二两点间的距离分别是 0 18cm 0 19cm 和 0 25cm 可以看出其中一个人在操作上有误 具体原因是 选用第二条纸带 量得三个连续 A B C 到第一点的距离分别是 15 55cm 19 20cm 和 23 23cm 当打点计时器打在 B 点时 重物重力势能减小量为 J 重物的动能是 J 6 在 验证机械能守恒定律 的实验中 打点计时器所用电源频率为 50Hz 当地重力 加速度 g 9 8m s2 测得所用重物质量是 1 00kg 实验中得到一条点迹清晰的纸带 把第一个点计作 O 另选连续的四个点 A B C D 作为测量的点 经测量知道 A B C D 各点到 O 点的距离分别是 62 99cm 70 18cm 77 76cm 85 73cm 根据 以上数据 可知重物由 O 点运动到 C 点 重力势能的减少量为 J 动 能的增加量等于 J 取 3 位有效数字 7 在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中 对第一个计数点的要求为 用 方法可以判断满足了这个要求 实验时必须知道重 锤的动能增加量应小于重力势能减少量 而在实验计算中却可能出现动能增加量大于 重力势能减少量 这是由于 8 在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中 1 若应用公式 v