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第10节实验：验证机械能守恒定律,学考报告,一、实验原理,等于,1.在只有重力做功的自由落体运动中，物体的重力势能减小，动能增加，如果重力势能的减小量动能的增加量，就验证了机械能守恒定律。,2.两种验证方案,(1)若以重物下落的起始点O为基准，设重物的质量为m，测出重物自起始点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mgh，机械能守恒定律即被验证。,(2)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，测出重物对应于A点的速度vA，再测出重物由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mgh，机械能守恒定律即被验证。,图1,二、实验器材,铁架台(带纸夹)、重物(带夹子)、复写纸、导线、毫米刻度尺、低压交流电源(46V)。,三、实验步骤,1.安装置：按图2甲所示把打点计时器安装在铁架台上，用导线把打点计时器与电源连接好。,图2,电磁打点计时器,纸带,2.打纸带：在纸带的一端把重物用夹子固定好，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手竖直提起纸带使重物停靠在打点计时器附近。先接通电源后放手，让重物拉着纸带自由下落。重复几次，得到35条打好点的纸带。3.选纸带：从打好点的纸带中挑选点迹清晰且开始的两点间距接近2mm的一条纸带，在起始点标上0，以后任取间隔相同时间的点依次标上1、2、3。4.测距离：用刻度尺测出0到1、2、3的距离，即为对应下落的高度h1、h2、h3。,四、数据处理,2.机械能守恒定律的验证：,方法三：图象法(如图3所示)。,图3,五、误差分析,1.本实验的误差主要是由纸带测量产生的偶然误差以及重物和纸带运动中的空气阻力及打点计时器的摩擦阻力引起的系统误差。2.测量时采取多次测量求平均值的方法来减小偶然误差，安装打点计时器使两限位孔中线竖直，并且选择质量适当大些、体积尽量小些的重物来减小系统误差。,六、实验注意事项,1.打点计时器安装要稳固，并使两限位孔的中线在同一竖直线上，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，可使空气阻力相对减小。3.实验时，应先接通电源，让打点计时器正常工作后再松开纸带让重物下落。4.本实验中的两种验证方法均不需要测重物的质量m。,典例精析,一、实验原理和实验步骤【例1】某同学为验证机械能守恒定律编排了如下实验步骤：,A.用天平称出重物的质量B.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C.拆掉导线，整理仪器D.断开电源，换上新纸带，重做两次E.用秒表测出重物下落的时间F.用毫米刻度尺测出计数点与起点的距离，记录数据，并计算出结果，得出结论G.把打点计时器接到低压交流电源上,H.接通电源，释放纸带I.把打点计时器接到低压直流电源上J.把打点计时器固定到桌边的铁架台上上述实验步骤中错误的是_，可有可无的是_，其余正确且必要的步骤按实验操作顺序排列是_。(均只需填步骤的代号)解析对于物理实验，掌握实验原理和操作方法是最基本的要求。只有掌握了实验原理，才能判断出实验步骤中哪些是错误的，哪些是必要的；只有亲自动手进行认真的操作，才能正确地对实验步骤按序排列。上述实验步骤中错误的是E和I，因为实验中不需要用秒表测定时间，打点计时器应使用低压交流电源。可有可无的实验步骤是A。其余正确且必要的步骤按实验操作顺序排列是：JGBHDCF。答案E，IAJGBHDCF,二、实验数据的处理方法,【例2】在“验证机械能守恒定律”的实验中，实验装置如图4甲所示。,图4,(1)该实验中使用电火花计时器，它的工作电压是_(填“交流220V”、“交流6V以下”或“直流6V以下”)，纸带下端所挂重物应选图乙中的_重物比较合适(填所选重物的字母)。(2)按照正确的操作得到如图丙所示的纸带。其中打O点时释放重物，A、B、C是打点计时器连续打下的三个点，该同学用毫米刻度尺测量O点到A、B、C各点的距离，并记录在图丙中(单位cm)。已知打点计时器打点时间间隔为0.02s，重物质量为0.5kg，当地重力加速度g取9.8m/s2。这三个数据中不符合有效数字读数要求的是_。现选取重物在OB段的运动进行数据处理，则打B点时重物的速度为_m/s，OB段动能增加量为_J，重力势能减少量为_J(计算结果均保留三位有效数字)。,即使在操作规范，数据测量及数据处理很准确的前提下，该实验测得的Ep也一定略大于Ek，这是实验存在系统误差的必然结果，试分析该实验误差产生的主要原因：_。,解析(1)电火花计时器的工作电压是交流220V，纸带下端所挂重物应选图乙中的质量较大的C比较合适。(2)这三个数据中不符合有效数字读数要求的是12.8，缺少有效数字；打B点时重物的速度为,答案(1)交流220VC(2)12.81.570.6160.627重物在下落时要受到阻力作用(对纸带的摩擦力、空气阻力),三、实验创新,【例3】利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置示意图如图5所示：,图5,(1)实验步骤将气垫导轨放在水平桌面上，桌面高度不低于1m，将导轨调至水平；用游标卡尺测量挡光条的宽度l9.30mm；,由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s_cm；将滑块移至光电门1左侧某处，待砝码静止不动时，释放滑块，要求砝码落地前挡光条已通过光电门2；从数字计时器(图中未画出)上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2所用的时间t1和t2；用天平称出滑块和挡光条的总质量M，再称出托盘和砝码的总质量m。,(2)用表示直接测量量的字母写出下列所求物理量的表达式滑块通过光电门1和光电门2时瞬时速度分别为v1_和v2_。当滑块通过光电门1和光电门2时，系统(包括滑块、挡光条、托盘和砝码)的总动能分别为Ek1_和Ek2_。在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统势能的减少Ep_(重力加速度为g)。(3)如果Ep_，则可认为验证了机械能守恒定律。,解析由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s80.30cm20.30cm60.00cm。,两光电门中心之间的距离s即砝码和托盘下落的高度，系统势能的减小量Epmgs，最后对比Ek2Ek1与Ep数值大小，在误差允许的范围内相等，就验证了机械能守恒定律。,
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