高中物理 第4章 机械能和能源 第5节 验证机械能守恒定律教师用书 粤教版

第五节验证机械能守恒定律一、实验目的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二、实验原理让物体自由下落，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mv2mgh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v1、v2，若关系式mvmvmgh成立，则物体的机械能守恒三、实验器材铁架台(带铁夹)、电磁打点计时器、低压交流电源(46 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451将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路图4512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，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落更换纸带重复做35次实验3选纸带：选取点迹较为清晰且有两点间的距离约为2 mm的纸带，把纸带上打出的两点间的距离为2 mm的第一个点作为起始点，记作O，在距离O点较远处再依次选出计数点1、2、34测距离：用刻度尺测出O点到1、2、3的距离，即为对应下落的高度h1、h2、h3二、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、3n并测量出各计数点到O点的距离h1、h2、h3hn再根据公式vn，计算出1、2、3、4、n点的瞬时速度v1、v2、v3、v4vn. 2机械能守恒验证方法一：利用起始点和第n点从起始点到第n个计数点，重力势能减少量为mghn，动能增加量为mv，计算ghn和v，如果在实验误差允许的范围内ghnv，则机械能守恒定律得到验证方法二：任取两点A、B.从A点到B点，重力势能减少量为mghAmghB，动能增加量为mvmv，计算ghAB和vv，如果在实验误差允许的范围内ghABvv，则机械能守恒定律得到验证方法三：图像法计算各计数点v2，以v2为纵轴，以各计数点到第一个点的距离h为横轴，根据实验数据绘出v2h图线若在误差许可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图452三、误差分析1在进行长度测量时，测量及读数不准造成误差2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3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四、注意事项1应尽可能控制实验满足机械能守恒的条件，这就要求尽量减小各种阻力的影响，采取的措施有：(1)安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中线严格竖直，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，使空气阻力减小2纸带选取：(1)以第一个点为起点时，要验证的是mvmghn，必须保证纸带上的第一个点为重物静止释放时打的点，所以前两个点的间距为hgt210(0.02)2m2 mm.(2)以下落中某点为起点时，要验证的是mvmvmghmn，这时选择纸带不需要满足两点间距为2 mm.3计算速度时不能用vgt或v，否则就犯了用机械能守恒定律去验证机械能守恒的错误.实验探究1实验原理和操作步骤在“验证机械能守恒定律”的实验中，下面列出一些实验步骤：A用天平称出重物和夹子的重量B把重物系在夹子上C将纸带穿过计时器，上端用手提着，下端夹上系住重物的夹子，再把纸带向上拉，让夹子靠近打点计时器静止D把打点计时器接在学生电源的交流输出端，把输出电压调至6 V(电源不接通)E把打点计时器固定在桌边的铁架台上，使两个限位孔在同一竖直线上F在纸带上选取几个点，进行测量和记录数据G用秒表测出重物下落时间H接通电源，待计时器响声稳定后释放纸带I切断电源J更换纸带，重新进行两次K在三条纸带中选出较好的一条L进行计算，得出结论，完成报告M拆下导线，整理器材以上步骤中，不必要的有_，正确步骤的合理顺序是_(填写字母)【解析】只为了验证机械能守恒，没必要称量重物的质量打点计时器本身就是计时仪器，不再需要秒表【答案】AGEDBCHIJMKFL实验探究2数据处理与误差分析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453中，单位是cm.打点计时器工作频率为50 Hz，重力加速度g取9.8 m/s2.图453(1)重物在2点的速度v2_，在5点的速度v5_，此过程中动能增加量Ek_，重力势能减少量Ep_.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Ek表示重物动能的变化量，h表示物体下落的高度)()【解析】(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v2m/s1.50 m/s，重物在5点的速度v5m/s2.075 m/s，所以动能增加量为Ekmvmv1.03m J，重物从2点到5点，重力势能减少量为Epmgh25m9.8(3.23.64.0)102 J1.06m J，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，所以获得的功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Ekmgh，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)1.50 m/s2.075 m/s1.03m J1.06m J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