1、第五节 验证机械能守恒定律第四章 机械能和能源学习目标1.知道实验的基本原理、方法及注意事项 2能对实验数据进行分析、讨论和进行误差分析 3能利用自由落体运动验证机械能守恒定律第四章 机械能和能源一、实验目的 通过研究物体运动过程中的动能和势能变化，验证机械能守恒定律 二、实验原理和方法 1针对只有重力做功的情形，研究其运动过程，比较物体重力势能变化量与动能变化量，若满足EpEk.则说明机械能守恒 2比较运动过程中两个状态的机械能若满足Ek1Ep1Ek2Ep2，也说明机械能守恒3两种设计方案(1)方案一做自由落体运动的物体下落的高度为 h 时速度为 v，则物体的重力势能减少量为 mgh，动能增
2、加量为12mv2，如果 mgh12mv2，即 gh12v2，就验证了机械能守恒定律实验中的高度 h 和速度 v 是由打点计时器所打出的纸带测量计算所得(2)方案二 如图所示，用单摆和DIS装置验证机械能守恒，将DIS装置的光电门放在A、B、C、D各点，测出各点的速度测量出各点对D的高度运用所得数据验证机械能是否守恒三、实验器材 方案一:打点计时器及电源、铁架台(含铁夹)、纸带、钩码、刻度尺、夹子 方案二：DISLab实验仪一套，铁架台、摆球、细线、铅笔、贴有方格纸的木板、刻度尺.四、实验步骤 1方案一(1)如图所示把打点计时器安装在铁架台上，并将打点计时器接到电源上(2)把纸带的一端和钩码用夹
3、子固定好，另一端穿过计时器限位孔，用手竖直提起纸带使重物停靠在打点计时器附近(3)先接通电源，然后松手让重物带着纸带自由下落(4)重复几次，得到35条打好点的纸带(5)在打好点的纸带中挑选一条点迹清晰的纸带，在起始点标上 O，以后的点依次标上 1、2、3，用刻度尺测出对应下落的高度 h1、h2、h3，并计算相应的重力势能减少量 mghn.(6)应用公式 vnhn1hn12T计算各点对应的瞬时速度，并计算相应的动能12mv2n.(7)比较12mv2n与 mghn 是否在误差范围内相等 2方案二(1)在铁架台上端用铁架悬挂一个摆球(如图所示)(2)在方格纸上确定4至5个点作为测量点(3)分别安装光
4、电传感器，并使之与数据采集器相连接(4)让小球从某一高度向下摆动，分别测定摆球在摆动过程中任意时刻的动能和重力势能(5)研究每一个测量点上机械能的总量有什么特点五、数据处理1代入数据计算比较(1)Epmgh，Ek12mv2，比较 gh 与12v2 在误差范围内是否相等；(2)Epmg(h2h1)，Ek12m(v22v21)，比较 g(h2h1)与12(v22v21)在误差范围内是否相等2作 v2h 图象，分析曲线从静止开始下落，如满足机械能守恒，则 mgh12mv2，所以v22gh，其中 2g 为常数，故 v2h 图线应为过原点的倾斜直线，斜率的一半为当地重力加速度，所得图象如图所示六、注意事
5、项 1方案一(1)应尽可能控制实验条件，使装置满足机械能守恒的条件，这需要尽量减小各种阻力，采取的措施有：安装时使限位孔与纸带处于同一竖直平面内 应选用质量和密度较大的重物(2)使用打点计时器时，应先接通电源，再松开纸带(3)选取纸带的原则 点迹清晰 所打点间距适中(可舍去开始打点密集的部分)(4)由于不需要计算动能和重力势能的具体数值，因而不需要测量物体的质量(5)计算速度时不能用 vgt 或 v 2gh，否则就犯了用机械能守恒定律去验证机械能守恒的错误(6)测量下落高度时，为减小实验误差，后边的点应距起点 O较远，在测量各点到 O 点的距离时，应当用刻度尺从 O 点量起，一次性读出各点到
6、O 点的距离 2方案二(1)小球运动时，应使其轨迹在一竖直面内，避免做圆锥摆运动(2)调整带方格纸的木板，应使其竖线在竖直方向上(3)为准确测定小球在各位置的瞬时速度，可在小球下部安置一块挡光片，并确保挡光片在竖直面内2本实验的另一个误差来源是长度的测量，属偶然误差 3另外交流电的频率发生波动，也会给实验带来偶然误差 七、误差分析1本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力(空气阻力、打点计时器阻力)做功，故动能的增加量12mv2 稍小于重力势能的减少量 mgh，这是系统误差实验原理和操作验证机械能守恒定律的实验步骤如下：A把打点计时器固定在铁架台上，并用导线将打点计时器接在低压交流电源上
7、 B将连有重物的纸带穿过限位孔，用手提着纸带，让手尽量靠近打点计时器 C松开纸带，接通电源 D更换纸带，重复几次，选点迹清晰的纸带进行测量 E用天平测量物体的质量m 在上述实验步骤中错误的是_和_，多余的是_ BCE 解析 步骤B中应让重物尽量靠近打点计时器，而不是手靠近打点计时器步骤C应先接通电源，后释放纸带步骤E多余，不需要测重物的质量题后反思对于物理实验，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认真操作，才能正确地对实验步骤按序排列实验数据分析与处理(2013高考海南卷)某同学用图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律
8、已知打点计时器所用电源的频率为50 Hz，当地重力加速度大小为g9.80 m/s2.实验中该同学得到的一条点迹清晰的完整纸带如图乙所示，纸带上的第一个点记为O，另选连续的三个点A、B、C进行测量，图中给出了这三个点到O点的距离hA、hB和hC的值回答下列问题(计算结果保留3位有效数字)：(1)打点计时器打B点时，重物速度大小vB_ m/s；(2)通过分析该同学测量的实验数据，他的实验结果是否验证了机械能守恒定律？简要说明分析的依据3.90解析(1)打点计时器打 B 点时重物速度的大小vBhChAf286.5970.99102502m/s3.90 m/s.(2)12v2B7.61(m/s)2，ghB7.70(m/s)2，因为12mv2BmghB，近似验证了机械能守恒定律，或由12mv2BmghB得出其他合理的结论也可以 题后反思在验证机械能是否守恒时，只需验证 gh 是否与12v2 在误差允许的范围内相等即可
