验证机械能守恒定律优秀PPT.ppt

一、试验目的一、试验目的 验证机械能守恒定律验证机械能守恒定律二、试验原理二、试验原理1在只有重力做功的自由落体运动中，物体的重力势能和动在只有重力做功的自由落体运动中，物体的重力势能和动能相互转化，但总的机械能保持不变若物体某时刻瞬时速能相互转化，但总的机械能保持不变若物体某时刻瞬时速度为度为v，下落高度为，下落高度为h，则重力势能的削减量为，则重力势能的削减量为mgh，动能的动能的增加量为增加量为 mv2，看它们在试验误差允许的范围内是否相等，看它们在试验误差允许的范围内是否相等，若相等则验证了机械能守恒定律若相等则验证了机械能守恒定律2速度的测量：做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度等于速度的测量：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相邻两点间的平均速度vt 计算打第计算打第n个点瞬时速度的方法个点瞬时速度的方法是：测出第是：测出第n个点的相邻前后两段相等时间个点的相邻前后两段相等时间T内下落的距离内下落的距离xn和和xn1，由公式，由公式vn 或或vn 算出，如图算出，如图实实21所示所示图实图实21三、试验器材三、试验器材 铁架台铁架台(含铁夹含铁夹)，打点计时器，学生电源，纸带，复，打点计时器，学生电源，纸带，复写纸，导线，毫米刻度尺，重物写纸，导线，毫米刻度尺，重物(带纸带夹带纸带夹)四、试验步骤四、试验步骤1器材安装：如图实器材安装：如图实22所示，将打点计时器固定在铁架台所示，将打点计时器固定在铁架台上，用导线将打点计时器与低压沟通电源相连，此时电源开关上，用导线将打点计时器与低压沟通电源相连，此时电源开关应为断开状态应为断开状态图实图实222打纸带：把纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打纸带：把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，用手竖直提起纸带，使重物停靠在打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下方旁边，应先接通电源，待计时器打点稳定后再点计时器下方旁边，应先接通电源，待计时器打点稳定后再松开纸带，让重物自由下落，打点松开纸带，让重物自由下落，打点 计时器就在纸带上打出一计时器就在纸带上打出一系列的点取下纸带，换上新的纸带重打几条系列的点取下纸带，换上新的纸带重打几条(3条条5条条)3选纸带：分两种状况说明选纸带：分两种状况说明 (1)应选点迹清晰，且应选点迹清晰，且1、2两点间距离小于或接近两点间距离小于或接近2 mm 的纸带，若的纸带，若1、2两点间的距离大于两点间的距离大于2 mm，这是由于先释放纸，这是由于先释放纸带，后接通电源造成的这样，第带，后接通电源造成的这样，第1个点就不是运动的起始点个点就不是运动的起始点了，这样的纸带不能选了，这样的纸带不能选(2)用用 mgh验证时，由于重力势能的相验证时，由于重力势能的相对性，处理纸带时，选择适当的点为基准点，这样纸带对性，处理纸带时，选择适当的点为基准点，这样纸带上打出的第上打出的第1、2两点间的距离是否为两点间的距离是否为2 mm就无关紧要了，就无关紧要了，所以只要后面的点迹清晰就可选用所以只要后面的点迹清晰就可选用4求瞬时速度求瞬时速度 在第一个打点上标出在第一个打点上标出O，并从稍靠后的某一点起先，并从稍靠后的某一点起先，依次标出依次标出1、2、3、4并量出各点到位置并量出各点到位置O的距离的距离h1、h2、h3、h4.用公式用公式vn 计算出各点对计算出各点对 应的瞬时速度应的瞬时速度v1、v2、v3、v4.5守恒验证守恒验证 方法一：利用起始点和第方法一：利用起始点和第n点计算代入点计算代入ghn和假如在试验和假如在试验误差允许的范围内，误差允许的范围内，ghn 则说明机械能守恒定律是正则说明机械能守恒定律是正确的确的 方法二：任取两点计算方法二：任取两点计算(1)任取两点任取两点A、B测出测出hAB，算出，算出ghAB.(2)算出算出 的值的值(3)假如在试验误差允许的范围内，假如在试验误差允许的范围内，ghAB则说明机械能守恒定律是正确的则说明机械能守恒定律是正确的 方法三：图象法从纸带上选取多个点，测量从第一点到方法三：图象法从纸带上选取多个点，测量从第一点到其余各点的下落高度其余各点的下落高度h，并计算各点速度的平方，并计算各点速度的平方v2，然后以，然后以 v2为纵轴，以为纵轴，以h为横轴，依据试验数据绘出为横轴，依据试验数据绘出 v2h图线若图线若在误差允许的范围内图象是一条过原点且斜率为在误差允许的范围内图象是一条过原点且斜率为g的直线，则的直线，则验证了机械能守恒定律验证了机械能守恒定律五、留意事项五、留意事项1应尽可能限制试验条件，即应满足机械能守恒的条件，这就应尽可能限制试验条件，即应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，实行的措施有：要求尽量减小各种阻力的影响，实行的措施有：(1)安装打点计时器时，必需使两个限位孔的中线严格竖直，以安装打点计时器时，必需使两个限位孔的中线严格竖直，以减小摩擦阻力减小摩擦阻力 (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，可使空气阻力减小响相对减小，增大密度可以减小体积，可使空气阻力减小2试验中，提纸带的手要保持不动，且保证纸带竖直试验中，提纸带的手要保持不动，且保证纸带竖直 接通电源后，等打点计时器工作稳定后再松开纸带接通电源后，等打点计时器工作稳定后再松开纸带3验证机械能守恒时，可以不测出物体质量，只要比较验证机械能守恒时，可以不测出物体质量，只要比较 和和ghn是否相等即可验证机械能是否守恒是否相等即可验证机械能是否守恒4测量下落高度时，为了减小测量值测量下落高度时，为了减小测量值h的相对误差，选取的相对误差，选取 的各个计数点要离起始点远一些，纸带也不易过长，的各个计数点要离起始点远一些，纸带也不易过长，有效长度可在有效长度可在60 cm80 cm之间之间5速度不能用速度不能用vngtn或或vn 计算，因为只要认为加计算，因为只要认为加 速度为速度为g，机械能当然守恒，即相当于用机械能守恒定，机械能当然守恒，即相当于用机械能守恒定 律验证机械能守恒定律，况且用律验证机械能守恒定律，况且用vngtn计算出的速度比计算出的速度比 实际值大，会得出机械能增加的错误结论，而因为摩擦实际值大，会得出机械能增加的错误结论，而因为摩擦 阻力的影响，机械能应当减小，所以速度应从纸带上直阻力的影响，机械能应当减小，所以速度应从纸带上直 接测量计算同样的道理，重物下落的高度接测量计算同样的道理，重物下落的高度h，也只能，也只能 用刻度尺干脆测量，而不能用用刻度尺干脆测量，而不能用hn 或或hn 计算得到计算得到六、误差分析六、误差分析1本试验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力本试验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力(空气阻空气阻力、打点计时器阻力力、打点计时器阻力)做功，故动能的增加量做功，故动能的增加量Ek 稍小于重力势稍小于重力势能的削减量能的削减量Ep，即，即EkEp，这属于系统误差改进的方法是调，这属于系统误差改进的方法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力整器材的安装，尽可能地减小阻力2本试验的另一个误差来源于长度的测量，属偶然误差减小误本试验的另一个误差来源于长度的测量，属偶然误差减小误差的方法是测下落距离时都从差的方法是测下落距离时都从O点量起，一次将各打点对应的下点量起，一次将各打点对应的下落高度测量完，或者多次测量取平均值落高度测量完，或者多次测量取平均值3打点计时器产生的误差打点计时器产生的误差(1)由于沟通电周期的变更，引起打点时间间隔变更而产生误差；由于沟通电周期的变更，引起打点时间间隔变更而产生误差；(2)计数点选择不好，振动片振动不匀整，纸带放置方法不正确引计数点选择不好，振动片振动不匀整，纸带放置方法不正确引起摩擦，造成试验误差起摩擦，造成试验误差七、试验改进七、试验改进 物体下落过程中通过某一位置时的速度可以用光电计物体下落过程中通过某一位置时的速度可以用光电计时器测出来，利用这种装置验证机械能守恒定律，能消退时器测出来，利用这种装置验证机械能守恒定律，能消退纸带与限位孔的摩擦阻力带来的系统误差纸带与限位孔的摩擦阻力带来的系统误差 在用自由落体运动验证机械能守恒定律时，在用自由落体运动验证机械能守恒定律时，某同学依据正确的操作选得纸带如图实某同学依据正确的操作选得纸带如图实23所示，其中所示，其中O点是起始点，点是起始点，A、B、C是打点计时器连续打下的三个点，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该同学用毫米刻度尺测量O点到点到A、B、C各点的距离，并各点的距离，并记录在图中记录在图中(单位单位cm)已知打点计时器电源频率为已知打点计时器电源频率为50 Hz，重物质量为重物质量为m，当地重力加速度，当地重力加速度g9.80 m/s2.图实图实23 (1)这三组数据中不符合有效数字读数要求的是这三组数据中不符合有效数字读数要求的是_ (2)该同学用重物在该同学用重物在OB段的运动来验证机械能守恒定律，段的运动来验证机械能守恒定律，先先 计算出该段重物重力势能的减小量为计算出该段重物重力势能的减小量为_，接着从，接着从打点计时器打下的第一个点打点计时器打下的第一个点O数起，数到图中数起，数到图中B点是打点计时点是打点计时器打下的第器打下的第9个点，他用个点，他用vBgt计算跟计算跟B点对应的重物的瞬时点对应的重物的瞬时速度，得到动能的增加量为速度，得到动能的增加量为_(均保留三位有效数字均保留三位有效数字)这样他发觉重力势能的减小量这样他发觉重力势能的减小量_(填填“大于大于”或或“小于小于”)动能的增加量，造成这一错误的缘由是动能的增加量，造成这一错误的缘由是_ 解题指导解题指导(1)从有效数字的位数上不难选出从有效数字的位数上不难选出15.7不符不符合有效数字读数要求合有效数字读数要求 (2)重力势能的削减量重力势能的削减量 EpmghOBm9.8012.421021.22m vBgt9.800.16 m/s1.568 m/s 动能的增加量动能的增加量Ek m1.56821.23mEkEp 造成这一现象的缘由是计算重物速度时，认为重物下造成这一现象的缘由是计算重物速度时，认为重物下落加速度为落加速度为g，而实际加速度小于，而实际加速度小于g，将重物的速度算大了，将重物的速度算大了应当用应当用AC段的平均速度算段的平均速度算vB (T0.02 s)答案答案(1)15.7(2)见解题指导见解题指导 用如图实用如图实24所示的所示的试验装置验证机械能守恒定律，试验试验装置验证机械能守恒定律，试验所用的电源为学生电源，输出电压为所用的电源为学生电源，输出电压为6 V的沟通电和直流电两种重物从高的沟通电和直流电两种重物从高处由静止起先落下，重物上拖着的纸处由静止起先落下，重物上拖着的纸带通过打点计时器打出一系列的点，带通过打点计时器打出一系列的点，对纸带上的点的痕迹进行测量，即可对纸带上的点的痕迹进行测量，即可验证机械能守恒定律验证机械能守恒定律图实图实24 下面列举了该试验的几个操作步骤：下面列举了该试验的几个操作步骤：A依据图示的装置安装器材；依据图示的装置安装器材；B将打点计时器接到电源的直流输出端上；将打点计时器接到电源的直流输出端上；C用天平测量出重锤的质量；用天平测量出重锤的质量；D释放悬挂重锤的纸带，同时接通电源开关打出一释放悬挂重锤的纸带，同时接通电源开关打出一条纸带；条纸带；E测量打出的纸带上某些点到起始点间的距离；测量打出的纸带上某些点到起始点间的距离；F依据测量的结果计算重锤下落过程中削减的重力依据测量的结果计算重锤下落过程中削减的重力势能是否等于增加的动能势能是否等于增加的动能 其中没有必要进行的步骤是其中没有必要进行的步骤是_，操作不当的步，操作不当的步骤是骤是_ (2)利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度a的数的数值依据打出的纸带，选取纸带上的连续的五个点值依据打出的纸带，选取纸带上的连续的五个点A、B、C、D、E，测出各点之间的距离如图实，测出各点之间的距离如图实25所示运用所示运用沟通电的频率为沟通电的频率为f，则计算重锤下落的加速度的表达式，则计算重锤下落的加速度的表达式a_.(用用x1、x2、x3、x4及及f表示表示)图实图实25 (3)在验证机械能守恒定律的试验中发觉，重锤减小的在验证机械能守恒定律的试验中发觉，重锤减小的重力势能总是大于重锤增加的动能，其主要缘由是重锤和重力势能总是大于重锤增加的动能，其主要缘由是重锤和纸带下落过程中存在阻力作用，可以通过该试验装置测阻纸带下落过程中存在阻力作用，可以通过该试验装置测阻力的大小若已知当地重力加速度为力的大小若已知当地重力加速度为g，还须要测量的物理，还须要测量的物理量是量是_试用这些物理量和纸带上的数据符号表示试用这些物理量和纸带上的数据符号表示重锤和纸带在下落的过程中受到的平均阻力大小重锤和纸带在下落的过程中受到的平均阻力大小Ff_.解题指导解题指导(1)本试验验证本试验验证 mv2mgh时没必要测时没必要测出重锤质量打点计时器必需接低压沟通电源必需先接出重锤质量打点计时器必需接低压沟通电源必需先接通电源，待打点计时器稳定工作时再释放纸带通电源，待打点计时器稳定工作时再释放纸带 (2)求加速度求加速度a时应当用逐差法，时应当用逐差法，(3)由由mgFfma可知，可知，Ffm(ga)mg ，只要再测出重锤的质量，只要再测出重锤的质量m即即可求出平均阻力可求出平均阻力Ff.答案答案(1)CBD(2)(3)重锤质量重锤质量 (2008江苏高考江苏高考)某同某同学利用如图实学利用如图实26所示的试验装所示的试验装置验证机械能守恒定律弧形轨道置验证机械能守恒定律弧形轨道末端水平，离地面的高度为末端水平，离地面的高度为H，将，将钢球从轨道的不同高度钢球从轨道的不同高度h处静止释处静止释放，钢球的落点距轨道末端的水平放，钢球的落点距轨道末端的水平距离为距离为x.图实图实26 (1)若轨道完全光滑，若轨道完全光滑，x2与与h的理论关系应满足的理论关系应满足x2_(用用H、h表示表示)(2)该同学经试验测量得到一组数据，如下表所示：该同学经试验测量得到一组数据，如下表所示：h(10)2.003.004.005.006.00 x2(10)2.623.895.206.537.78请在图实请在图实27所示的坐标纸上作出所示的坐标纸上作出x2h关系图象关系图象图实图实27 (3)对比试验结果与理论计算得到的对比试验结果与理论计算得到的x2h关系图线关系图线(图图实实27中已画出中已画出)，自同一高度静止释放的钢球，水平抛，自同一高度静止释放的钢球，水平抛出的速率出的速率_(填填“小于小于”或或“大于大于”)理论值理论值 (4)从从x2h关系图线中分析得出钢球水平抛出的速率差关系图线中分析得出钢球水平抛出的速率差特别显著，你认为造成上述偏差的可能缘由是特别显著，你认为造成上述偏差的可能缘由是 .解题指导解题指导(1)设钢球从轨道末端抛出的速度为设钢球从轨道末端抛出的速度为v0，则由则由mgh 得得 2gh.在平抛过程中有在平抛过程中有H xv0t，v0 x 解得解得x24Hh.(2)依次描点，连线，如图实依次描点，连线，如图实28所示留意不要所示留意不要画成折线画成折线图实图实28 答案答案(1)4Hh(2)如图实如图实28所示所示(3)小于小于(4)摩擦，转动摩擦，转动(回答任一即可回答任一即可)