第四章实验.ppt

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1、实验：验证机械能守恒定律1.1.会用打点计时器打下的纸带计算物体的运动速度和位移。会用打点计时器打下的纸带计算物体的运动速度和位移。2.2.探究自由落体运动物体的机械能守恒。探究自由落体运动物体的机械能守恒。 让物体自由下落，在忽略阻力情况下，探究物体的机械能守让物体自由下落，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：恒，有两种方案探究物体的机械能守恒：1.1.以物体下落的起始点以物体下落的起始点O O为基准，测出物体下落高度为基准，测出物体下落高度h h时的速度时的速度大小大小v v，若，若 mvmv2 2=mgh=mgh成立，则可验证物体的机械能守恒。成立，则

2、可验证物体的机械能守恒。2.2.测出物体下落高度测出物体下落高度h h过程的初、末时刻的速度过程的初、末时刻的速度v v1 1、v v2 2，若关，若关系式系式 mvmv2 22 2- mv- mv1 12 2=mgh=mgh成立，则物体的机械能守恒。成立，则物体的机械能守恒。 121212铁架台铁架台( (带铁夹带铁夹) )、电磁打点计时器、低压交流电源、电磁打点计时器、低压交流电源(4(46 V)6 V)、重物、毫米刻度尺、纸带重物、毫米刻度尺、纸带( (带夹子带夹子) )、复写纸片、导线、复写纸片、导线 一、实验步骤一、实验步骤1.1.安装置：按图将检查、调整好的打点计时安装置：按图将检

3、查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上器竖直固定在铁架台上, ,接好电路。接好电路。2.2.打纸带：将纸带的一端用夹子固定在重物打纸带：将纸带的一端用夹子固定在重物上上, ,另一端穿过打点计时器的限位孔另一端穿过打点计时器的限位孔, ,用手提用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方。着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方。先接通电源先接通电源, ,然后再松开纸带然后再松开纸带, ,让重物带着纸带自由下落。更换让重物带着纸带自由下落。更换纸带纸带, ,按上述要求再重复做按上述要求再重复做3 35 5次。次。3.3.选纸带：分两种情况。选纸带：分两种情况。(1)(1)用原理式用原理式mghm

4、gh= mv= mv2 2验证时验证时, ,应选点迹清晰且应选点迹清晰且1 1、2 2两点间距两点间距离小于或接近离小于或接近2mm2mm的纸带。若的纸带。若1 1、2 2两点间的距离大于两点间的距离大于2mm,2mm,这是这是由于先释放纸带由于先释放纸带, ,后接通电源造成的。这样后接通电源造成的。这样, ,第第1 1个点就不是运个点就不是运动的起始点了动的起始点了, ,纸带上第纸带上第1 1个点对应的动能就不等于零。个点对应的动能就不等于零。(2)(2)用用mghmgh= = 验证时验证时, ,由于重力势能的相对性由于重力势能的相对性, ,处处理纸带时理纸带时, ,选择适当的点为基准点选择

5、适当的点为基准点, ,这样纸带上打出的第这样纸带上打出的第1 1、2 2两两点间的距离是否为点间的距离是否为2mm2mm就无关紧要了就无关紧要了, ,所以只要后面的点迹清晰所以只要后面的点迹清晰就可选用。就可选用。1222BA11mvmv224.4.测距离：用毫米刻度尺测出测距离：用毫米刻度尺测出O O点到点到1 1、2 2、3 3各计数点的距离各计数点的距离, ,求出重物对应于各点下落的高度求出重物对应于各点下落的高度h h1 1、h h2 2、h h3 3并将各点对应的并将各点对应的高度填入设计的表格中。高度填入设计的表格中。二、实验数据处理二、实验数据处理1.1.计算各点对应的瞬时速度：

6、记下第计算各点对应的瞬时速度：记下第1 1个点的位置个点的位置O,O,在纸带上在纸带上从离从离O O点适当距离开始选取几个计数点点适当距离开始选取几个计数点1 1、2 2、3 3并测量出各计并测量出各计数点到数点到O O点的距离点的距离h h1 1、h h2 2、h h3 3再利用匀变速直线运动公式再利用匀变速直线运动公式v vn n= ,= ,计算出计算出1 1、2 2、3 3、4 4、n n点的瞬时速度点的瞬时速度v v1 1、v v2 2、v v3 3、v v4 4v vn n。n 1n 1hh2T2.2.实验验证实验验证“三法三法”：方法一：利用起始点方法一：利用起始点O O和和n n

7、个计数点，分别计算出各点对应的重个计数点，分别计算出各点对应的重力势能和动能。设起始点力势能和动能。设起始点O O处的重力势能为零，则各计数点处处的重力势能为零，则各计数点处的重力势能为的重力势能为-mgh-mghn n，对应的动能为，对应的动能为 mvmvn n2 2，如果在实验误差允，如果在实验误差允许的范围内许的范围内ghghn n= v= vn n2 2，则机械能守恒。，则机械能守恒。方法二：任意选取两点方法二：任意选取两点A A、B B，测出，测出h hABAB，计算出，计算出ghghABAB；再计算出；再计算出v vA A、v vB B、 v vB B2 2- v- vA A2 2

8、的值，如果在实验误差允许的范围内的值，如果在实验误差允许的范围内ghghABAB= = v vB B2 2- v- vA A2 2 ，则机械能守恒。，则机械能守恒。121212121212方法三：图像法。从纸带上多选取几个计数方法三：图像法。从纸带上多选取几个计数点，测量出点，测量出O O点点( (起始点起始点) )到其余各计数点的到其余各计数点的距离距离( (物体下落的高度物体下落的高度)h)h，并计算出各点速度，并计算出各点速度的平方的平方v v2 2，然后以，然后以 v v2 2为纵轴，以为纵轴，以h h为横轴，为横轴，根据实验数据绘出根据实验数据绘出 v v2 2-h-h图线。若在误差

9、允许的范围内图像是图线。若在误差允许的范围内图像是一条过原点且斜率为一条过原点且斜率为g g的直线，则验证了机械能守恒定律。的直线，则验证了机械能守恒定律。12121.1.系统误差：在只有重力对物体做功时系统误差：在只有重力对物体做功时, ,物体的动能和重力势物体的动能和重力势能可以相互转化能可以相互转化, ,且动能和重力势能的总和保持不变。但实验且动能和重力势能的总和保持不变。但实验不可避免地存在阻力不可避免地存在阻力( (打点计时器与纸带间的摩擦阻力、空气打点计时器与纸带间的摩擦阻力、空气阻力等阻力等),),重物下落要克服阻力做功重物下落要克服阻力做功, ,部分机械能转化成内能部分机械能转

10、化成内能, ,下下落高度越大落高度越大, ,机械能损失越多机械能损失越多, ,所以实验数据出现了各计数点对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。改进的办法是改进器材应的机械能依次略有减小的现象。改进的办法是改进器材, ,尽尽量减小阻力。量减小阻力。2.2.偶然误差：在进行长度测量时偶然误差：在进行长度测量时, ,测量及读数不准造成误差。测量及读数不准造成误差。减小误差的办法：减小误差的办法：(1)(1)测量距离时都必须从起始点测量距离时都必须从起始点O O开始依次测量。开始依次测量。(2)(2)多测几次多测几次, ,取平均值。取平均值。(3)(3)读数时视线应和刻度线在同一

11、水平面上。读数时视线应和刻度线在同一水平面上。3.3.打点计时器产生的误差：打点计时器产生的误差：(1)(1)由于交流电的周期不稳定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造成打点时间间隔变化而产生误差。差。(2)(2)振动片振动不均匀振动片振动不均匀, ,打点过浅或过紧造成误差；纸带放置的打点过浅或过紧造成误差；纸带放置的方法不正确方法不正确, ,计数点选取的不好计数点选取的不好, ,都会造成误差。都会造成误差。1.1.尽量减小各种阻力而减小实验误差尽量减小各种阻力而减小实验误差, ,可采取如下措施：可采取如下措施：(1)(1)物体选用体积小、密度大的重锤物体选用体积小、密度

12、大的重锤, ,且力求纸带下落前保持竖且力求纸带下落前保持竖直直, ,以减小系统误差。以减小系统误差。(2)(2)打点计时器必须稳固安装在铁架台上打点计时器必须稳固安装在铁架台上, ,并且两个限位孔的中并且两个限位孔的中线要严格在同一竖直线上线要严格在同一竖直线上, ,以减小纸带受到的摩擦阻力。以减小纸带受到的摩擦阻力。2.2.实验时实验时, ,必须先接通电源必须先接通电源, ,让打点计时器正常且稳定工作后让打点计时器正常且稳定工作后, ,再松开纸带让重物下落。再松开纸带让重物下落。3.3.对纸带进行测量时对纸带进行测量时, ,应一次性测出各计数点到起始点应一次性测出各计数点到起始点O O的距离

13、的距离, ,不能分阶段测量不能分阶段测量, ,为了减小测量值为了减小测量值h h的相对误差的相对误差, ,选取的各个计选取的各个计数点要离起始点数点要离起始点O O尽量远一些尽量远一些, ,纸带也不易过长纸带也不易过长, ,有效长度可在有效长度可在606080cm80cm。4.4.不必测量出物体的质量不必测量出物体的质量, ,只要验证只要验证ghghn n= = 即可。即可。2n1v2热点热点1 1 实验器材及步骤的考查实验器材及步骤的考查【典例【典例1 1】(2013(2013长沙高一检测长沙高一检测) )某同学利用重物自由下落来某同学利用重物自由下落来探究机械能守恒定律探究机械能守恒定律(

14、1)(1)从下列器材中选出实验所必需的器材从下列器材中选出实验所必需的器材, ,其编号为其编号为_。A.A.重物重物B.B.打点计时器打点计时器C.C.直流电源直流电源D.D.天平天平E.E.停表停表F.F.低压交流电源低压交流电源G.G.毫米刻度尺毫米刻度尺H.H.小车小车(2)(2)进行实验时进行实验时, ,为保证重物下落时初速度为零为保证重物下落时初速度为零, ,应应_( (选填选填“A”A”或或“B”)B”)。A.A.先接通电源先接通电源, ,再释放纸带再释放纸带B.B.先释放纸带先释放纸带, ,再接通电源再接通电源(3)(3)下面列举了该实验的几个操作步骤下面列举了该实验的几个操作步

15、骤A.A.按照图示的装置安装器材；按照图示的装置安装器材；B.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.C.用天平测量出重物的质量；用天平测量出重物的质量；D.D.用停表测出重物下落的时间用停表测出重物下落的时间E.E.测量打出的纸带上某些点之间的距离；测量打出的纸带上某些点之间的距离；F.F.根据测量的结果计算重物下落过程中减少的重力势能是否等根据测量的结果计算重物下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能。于增加的动能。指出其中没有必要进行的或者操作不恰当的步骤指出其中没有必要进行的或者操作不恰当的步骤, ,将其选项对将其选项对应的字母填在下面的横线上

16、应的字母填在下面的横线上, ,并说明原因：并说明原因：_。【标准解答【标准解答】(1)(1)用落体法验证机械能守恒时用落体法验证机械能守恒时, ,根据打点计时器根据打点计时器打在纸带上的点打在纸带上的点, ,测出重物下落的高度测出重物下落的高度h h和对应的瞬时速度和对应的瞬时速度v,v,探探究减少的重力势能究减少的重力势能EEp p=mgh=mgh, ,增加的动能增加的动能EEk k= mv= mv2 2, ,比较比较mghmgh与与 mvmv2 2, ,若若mghmgh= mv= mv2 2即即ghgh= v= v2 2, ,机械能守恒得到验证。由于等式机械能守恒得到验证。由于等式两边均有

17、两边均有m,m,没有必要测量没有必要测量m,m,所以天平是多余的所以天平是多余的, ,用打点计时器用打点计时器测定时间测定时间, ,所以所以, ,不用直流电源和停表不用直流电源和停表, ,研究对象是重物不是小研究对象是重物不是小车。所以应选车。所以应选A A、B B、F F、G G。12121212(2)(2)为了使纸带上打下的第为了使纸带上打下的第1 1个点是速度为零的初始点个点是速度为零的初始点, ,应该先应该先接通电源接通电源, ,让打点计时器正常工作后让打点计时器正常工作后, ,再释放纸带。若先释放纸再释放纸带。若先释放纸带带, ,再接通电源再接通电源, ,当打点计时器打点时当打点计时

18、器打点时, ,纸带已经下落纸带已经下落, ,打下的第打下的第1 1个点的速度不为零。因此个点的速度不为零。因此, ,为保证重物下落的初速度为零为保证重物下落的初速度为零, ,应应先接通电源先接通电源, ,再释放纸带。再释放纸带。(3)(3)步骤步骤B B是错误的是错误的, ,应该接到电源的交流输出端；步骤应该接到电源的交流输出端；步骤C C没必要没必要, ,因为根据测量原理因为根据测量原理, ,重物的动能和势能中都包含了质量重物的动能和势能中都包含了质量m,m,可以可以约去约去, ,没必要用天平测量出重物的质量没必要用天平测量出重物的质量, ,步骤步骤D D是没必要的是没必要的, ,因为因为用

19、落体法验证机械能守恒定律时用落体法验证机械能守恒定律时, ,是用打点计时器打出的纸带是用打点计时器打出的纸带测量下落位移和下落时间测量下落位移和下落时间, ,并计算出各点的瞬时速度并计算出各点的瞬时速度, ,没有必要没有必要用停表测量时间。用停表测量时间。答案：答案：(1)A(1)A、B B、F F、G G(2)A(2)A(3)(3)见标准解答见标准解答热点热点2 2 实验原理与误差分析实验原理与误差分析【典例【典例2 2】某同学做验证机械能守恒定律实验时某同学做验证机械能守恒定律实验时, ,不慎将一条挑不慎将一条挑选出的纸带的一部分损坏选出的纸带的一部分损坏, ,损坏的是前端部分。剩下的一段

20、纸损坏的是前端部分。剩下的一段纸带上各相邻点间的距离已测出标在图中带上各相邻点间的距离已测出标在图中, ,单位是单位是cmcm。打点计时。打点计时器工作频率为器工作频率为50Hz,50Hz,重力加速度重力加速度g g取取9.8m/s9.8m/s2 2。(1)(1)重物在重物在2 2点的速度点的速度v v2 2= =, ,在在5 5点的速度点的速度v v5 5= =, ,此过程此过程中动能增加量中动能增加量EEk k=_,=_,重力势能减少量重力势能减少量EEp p=_=_。由。由以上可得出实验结论以上可得出实验结论_。(2)(2)重物获得的动能往往重物获得的动能往往(A.(A.大于大于B.B.

21、小于小于C.C.等于等于) )减少的重力势能减少的重力势能, ,实验中产生系统误差的原因是实验中产生系统误差的原因是_。(3)(3)根据实验判断下列图像正确的是根据实验判断下列图像正确的是( (其中其中EEk k表示重物动能的表示重物动能的变化量变化量,h,h表示物体下落的高度表示物体下落的高度)()() )【标准解答【标准解答】(1)(1)根据匀变速直线运动的规律根据匀变速直线运动的规律, ,可以求出重物在可以求出重物在2 2点的速度点的速度v v2 2= m/s= m/s=1.50m/s,=1.50m/s,重物在重物在5 5点的速度点的速度v v5 5= m/s= m/s=2.075m/s

22、,=2.075m/s,所以动能增加量为所以动能增加量为EEk k= = =1.03mJ, =1.03mJ,重物从重物从2 2点到点到5 5点点, ,重力势能减少量为重力势能减少量为EEp p=mgh=mgh2525=m=m9.89.8(3.2+3.6+4.0)(3.2+3.6+4.0)1010-2-2J=1.06mJ,J=1.06mJ,由以上可由以上可得出实验结论为：在误差允许的范围内得出实验结论为：在误差允许的范围内, ,机械能守恒。机械能守恒。(2)(2)由于纸带受到摩擦力作用由于纸带受到摩擦力作用, ,需克服摩擦力做功需克服摩擦力做功, ,所以获得的所以获得的动能小于减少的重力势能。动能

23、小于减少的重力势能。22.83.2102 0.0224.04.3102 0.02225211mvmv22(3)(3)重物机械能守恒重物机械能守恒, ,重物减少的重力势能转化为增加的动能重物减少的重力势能转化为增加的动能, ,即即EEk k=mgh=mgh, ,可见重物增加的动能与下落的距离成正比可见重物增加的动能与下落的距离成正比, ,选项选项C C正确。正确。答案：答案：(1)1.50m/s(1)1.50m/s2.075m/s2.075m/s1.03mJ1.03mJ1.06mJ1.06mJ 在误差允许的范围内在误差允许的范围内, ,机械能守恒机械能守恒(2)B(2)B纸带受到摩擦力作用纸带受到摩擦力作用(3)C(3)C