7.9实验：验证机械能守恒定律

第七章：机械能守恒定律实验原理在自由落体运动中，若物体下落高度h时的速度为v,则hvmgh=mv212测定第n点的即时速度的方法是：测出第n点的相邻的前、后两段相等时间T内下落的距离由下列公式算出：12nnnSSvT112nnnddvT或01234S3S4d4d2实验器材实验器材：打点计时器、纸带、复写纸、重物、刻度尺、铁架台（带铁夹）、学生电源等。夹子打点计时器纸带重物？铁架台•打点计时器的作用是什么?•重物选取的原则是什么?为什么?•密度比较大，质量相对比较大，可以减小因为空气阻力带来的误差．•实验中还有哪些应该注意的地方?•计时器要稳定在铁架台上，计时器平面与纸带限位孔调整在竖直方向，铁架台放在桌边，计时器距地面的距离大约是1m．•这样做的目的是什么?•计时器平面与纸带限位孔在竖直方向上的目的是减小摩擦以减小实验误差的产生，铁架台放在桌边有利于重物下落到地面上，计时器距地面的距离较大的目的是能够有充足的时间使重物下落，以便在纸带上能够打出较多的点，有利于进行计算．本实验要不要测量物体的质量？mgh=mv212gh=v212无需测量物体的质量如果实验要求计算势能和动能的具体数据，那就必须要知道物体的质量。问题3如何测量物体的瞬时速度?做匀变速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。思考速度能不能用v=gt计算？这种方法认为加速度为g，由于各种摩擦阻力不可避免，所以实际加速度必将小于g，这样将得到机械能增加的结论，有阻力作用机械能应该是减少的，故这种方法也不能用。问题2纸带上的第一个点为计时起点0（起始点的速度应该为零，即打点计时器在纸带上打下第一个点时纸带刚开始下落）。gh=v21212x=gt2=×9.8×0.022m≈2×10-3m=2mm12h起始点对于实际获得的纸带，如何判定纸带上的第一个点就是纸带刚开始下落时打下的呢？纸带上的头两个点间的距离应接近2mm。实验步骤(1)按图把打点记时器安装在铁架台上，用导线把打点记时器与学生电源连好。(2)把纸带的一端在重锤上用架子固定好，另一端穿过记时器限位孔，用手竖直提起纸带使重锤停靠在打点记时器附近。实验步骤(3)先接通电源，后松手让重锤带着纸带下落。(4)重复几次，得3—5条纸带。(5)在打好点的纸带中挑选点迹清晰的一条纸带，在起始点标上O，以后各依次标上1、2、3…..用刻度尺测出对应高度h1、h2、h3……第一个间隔，一定要求是2mm左右吗实验步骤(6)应用公式计算各点对应的速度v1、v2、v3...(7)计算各点对应的势能减少量和动能的增加量进行比较。数据记录测量点n123456高度hn/m速度vn/m/s势能EP/J动能EK/J可不可以用图象处理数据?0hv212图象法处理数据gh=v212该图象的斜率表示什么？为什么图象通过原点？注意事项（1）实验中打点记时器的安装，两纸带限位孔必须在同一竖直线上，以减少摩擦力．（2）实验时，必须先接通电源，让打点记时器工作正常后才松开纸带让重锤下落．（3）打点记时器必须接50Hz交流低压电源.（4）必须保留纸带上打出点迹的第一点,且第1、2点间距约为2mm的纸带误差小。（5）实验中，只要验证gh是否等于v2/2即可，不用测重锤的质量。误差分析：由于重锤克服阻力作功，所以动能增加量略小于重力势能减少量。误差分析1、偶然误差：测量长度时会带来误差2、系统误差：实验中重物和纸带下落过程中要克服阻力（主要是打点计时器的阻力）做功，故动能的增加量ΔEK必定稍小于势能的减少量ΔEP。计算物体的速度，可有三种方法12nnvgh、2nnvgt、1132nnnhhvT、第1种方法是根据机械能守恒定律得到的，而我们的目的就是验证机械能守恒定律，所以不能用第2种方法认为加速度为g，由于各种摩擦阻力不可避免，所以实际加速度必将小于g，这样将得到机械能增加的结论，有阻力作用机械能应该是减少的，故这种方法也不能用（2）有4条用打点计时器（所用交流电频率为50Hz）打出的纸带A、B、C、D，其中一条是做“验证机械能守恒定律”实验时打出的。为找出该纸带，某同学在每条纸带上选取了点迹清晰的、连续的4个点，用刻度尺测出相邻两个点间距离依次为s1、s2、s3。请你根据下列s1、s2、s3的测量结果确定该纸带为。（已知当地的重力加速度为9.791m/s2）A.61.0mm65.8mm70.7mmB.41.2mm45.1mm53.0mmC.49.6mm53.5mm57.3mmD.60.5mm61.0mm60.6mmC打点计时器纸带夹子接电源重物21．利用图示装置进行验证机械能守恒定律的实验时,需要测量物体由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v和下落高度h。某班同学利用实验得到的纸带,设计了以下四种测量方案.a.用刻度尺测出物体下落的高度h，并测出下落时间t,通过v=gt打点计时器纸带夹子接电源重物计算出瞬时速度v.b.用刻度尺测出物体下落的高度h，并通过计算出瞬时速度v.ghv2c.根据做匀变速直线运动时纸带上某点的瞬时速度，等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度v，并gvh22通过计算出高度h.d.用刻度尺测出物体下落的高度h，根据做匀变速直线运动时纸带上某点的瞬时速度,等于这点前后相邻两点间的平均速度,测算出瞬时速度v.以上方案中只有一种正确，正确的是。（填入相应的字母）d22、(4分)如图为验证机械能守恒定律的实验装置示意图。现有的器材为：带铁夹的铁架台、电磁打点计时器、纸带、带铁夹的重锤、天平。回答下列问题(1)为完成此实验,除了所给的器材，还需要的器材有______。(填入正确选项前的字母)A、米尺B、秒表C、0～12V的直流电源D、0～12V的交流电源(2)实验中误差产生的原因有。(写出两个原因)纸带与打点计时器之间有摩擦；用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差；计算势能变化时，选取始末两点距离过近；交流电频率不稳定。AD12.某实验小组利用如图7所示的实验装置来验证钩码和滑块所组成的系统由静止释放后机械能守恒。实验前已经调整气垫导轨底座使之水平，且选定滑块从静止开始运动的过程进行测量。光电门遮光条连气源钩码数字计时器刻度尺图7气垫导轨滑块（1）用游标卡尺测得遮光条的宽度d＝0.48cm;实验时将滑块从图示位置由静止释放,由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间Δt＝1.2×10-2s,则滑块经过光电门时的瞬时速度为________m/s。0.4（2）已知当地重力加速度为g，钩码的质量m，滑块的质量M，在本实验中还需要直接测量的物理量有:（在横线上填入选项前的编号）。①光电门到左端定滑轮的距离x；②滑块上的遮光条初始位置到光电门的距离s；③气垫导轨的总长l（3）本实验通过比较和是否相等（用直接测出的物理量符号写出表达式，重力加速度为g）,说明系统的机械能是否守恒。（4）请你估计减少的重力势能和增加的动能哪个可能偏小？。动能的增量可能偏小21()()2dMmt②mgs13、（11分）在利用重锤下落验证机械能守恒定律的实验中（1）产生误差的主要原因是_______A．重物下落的实际距离大于测量值B．重物下落的实际距离小于测量值C．重物的实际末速度v大于gtD．重物的实际末速度v小于gt（2）甲、乙、丙三位同学分别得到A．B、C三条纸带，它们的前两个点间的距离分别是1.0mm、1.9mm、4.0mm。那么一定存在操作误差的同学是__________错误的原因是____________________________________.先释放了重物，后接通电源D丙（3）有一条纸带，各点距A点的距离分别为d1，d2，d3，……，如图所示，各相邻点间的时间间隔为T，当地重力加速度为g。要用它来验证B和G两点处机械能是否守恒，可量得BG间的距离hd1d2d3d4d5d6d7ABCDEFGHd6-d1＝________，B点的速度表达式为vB=________,G点的速度表达式为vG=_____________，若B点和G点的速度vB、vG和BG间的距离h均为已知量，则当________＝______时，机械能守恒。2ghd2／2TvG2-vB2(d7–d5)／2T11.某实验小组在验证机械能守恒定律实验中:(1)选出一条纸带如图所示，其中O点为打点计时器打下的第一个点，A、B、C为三个计数点，在计数点A和B、B和C之间还各有一个点，测得h1=12.01cm，h2=19.15cm，h3=27.86cm．已知重锤质量为0.5kg，打点计时器的工作电流频率为50Hz，当地的重力加速度g＝9.80m/s2．由以上数据算出：当打点计时器打到B点时重锤的重力势能比开始下落时减少了J，此时重锤的动能比开始下落时增加了J（计算结果保留两位有效数字）.从计算结果可知,该实验小组在做实验时出现问题的可能原因是．实验时先释放纸带,然后再接通打点计时器的电源0.940.98OAh1h2h3BC（2）在上图所示的纸带上，某同学又选取多个计数点，测出各计数点到第一个点O的距离h，算出各计数点对应的速度v，并以h为横轴，以v2/2为纵轴画出的图线应是如下图中的.图线的斜率表示．hhhhABCD22v22v22v22v0000D重力加速度gOA=12.41cm，OB=18.90cm，OC=27.06cm,在计数点A和B、B和C之间还各有一个点，重锤的质量为1.00kg。请根据以上数据算出：当打点计时器打到B点时重锤的重力势能比开始下落时减少了_______J;重锤的动能比开始下落时增加了__________J。（结果均保留三位有效数字）12.41cmOBAC18.90cm27.06cm解：J851J189008091...mghEPm/s831m/s1002044112062742....TSvACBJ681J8311212122..mvEBk1.851.6813.如图所示，是用落体法验证机械能守恒定律的实验装置。（g取9.80m/s2）（1）某同学从完成的实验纸带中选出一条纸带如图所示，其中O点为打点计时器打下的第一个点,A、B、C为三个计数点，打点计时器通以50Hz的交流电。用最小刻度值为1mm的刻度尺测得方形固定卡金属杆铁架台打点计时器纸带接电源12.41cmOBAC18.90cm27.06cm21．（1）在“验证机械能守恒定律”的实验中，打点计时器接在频率为50Hz的交流电源上，图1为实验中打出的一条纸带，从起始点O开始，将此后连续打出的8个点依次标为A、B、C、D……，已知重锤的质量为mkg，当地的重力加速度为9.80m/s2。①打点计时器打G点时,重锤下落的速度为m/s.②从打O点到打G点的过程中，重锤重力势能的减少量为J，重锤动能的增加量为J.图10cm123456789101112OABCDEFGH解：1.30m/scm/s04050670112...TSvFHGJ8720J0890089m.m..mghEpJ8450J301212122m.m.mvEGk图10cm123456789101112OABCDEFGH①打点计时器打G点时，重锤下落的速度为m/s。②从打O点到打G点的过程中，重锤重力势能的减少量为J，重锤动能的增加量为J.0.845m1.300.872m34．（1）光电计时器结构如图a所示，当有物体从M、N间通过时，光电计时器就可以显示物体的挡光时间，若知物体的长度，就可知道物体通过光电门的速度，如图b，E、F为上下两个光电门，现要利用此装置探究机械能守恒定律。图bEFA图c1cm20510显示屏光电计时器00.0MN图a光电门①读出如图c游标卡尺测量的物块A厚度为cm.②让物块A从某一位置下落，通过测量并计算得出它通过光电门E和F的速度分别为v1和v2,已知当地重力加速度为g，若要探究物块在EF之间运动的过程机械能是否守恒,还需测量的物理量为.若和在误差允许的范围内相等,则可说明物块的机械能守恒.（用物理量的字母符号表示）)vm(v2122