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实验七验证机械能守恒定律
基础梳理
1.实验原理(如图所示)
通过实验,求出做自由落体运动物体的__重力势能的减少量__和对应过程动能的增加量,在实验误差允许范围内,若二者相等,说明机械能守恒,从而验证机械能守恒定律.
2.实验器材
打点计时器、交变电源、纸带、复写纸、重物、__刻度尺__、铁架台(带铁夹)、导线.
3.实验过程
(1)安装器材:将__打点计时器__固定在铁架台上,用导线将打点计时器与电源相连.
(2)打纸带:用手竖直提起纸带,使重物停靠在打点计时器下方附近,先__接通电源__,再__松开纸带__,让重物自由下落,打点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(3~5条)纸带.
(3)选纸带:从打出的几条纸带中选出一条点迹清晰的纸带.
(4)进行数据处理并验证.
4.数据处理
(1)求瞬时速度
由公式vn=eq\f(hn+1-hn-1,2T)可以计算出重物下落h1、h2、h3…的高度时对应的瞬时速度v1、v2、v3….
(2)验证守恒
方案一:利用起始点和第n点计算
代入mghn和eq\f(1,2)mveq\o\al(2,n),如果在实验误差允许的范围内,mghn和eq\f(1,2)mveq\o\al(2,n)相等,则验证了机械能守恒定律.
注意:应选取最初第1、2两点间距离接近__2_mm__的纸带(电源频率为50Hz).
方案二:任取两点计算
①任取两点A、B,测出hAB,算出mghAB.
②算出eq\f(1,2)mveq\o\al(2,B)-eq\f(1,2)mveq\o\al(2,A)的值.
③在实验误差允许的范围内,若mghAB=eq\f(1,2)mveq\o\al(2,B)-eq\f(1,2)mveq\o\al(2,A),则验证了机械能守恒定律.
方案三:图像法
测量从第一点到其余各点的下落高度h,并计算对应速度v,然后以eq\f(1,2)v2为纵轴,以h为横轴,根据实验数据作出eq\f(1,2)v2-h图像.若在误差允许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.
5.注意事项
(1)打点计时器要竖直:安装打点计时器时要竖直架稳,使其两限位孔在同一竖直线上,以减小__摩擦阻力__.
(2)重物应选用质量大、体积小、密度大的.
(3)应先接通电源,让打点计时器正常工作,后松开纸带让重物下落.
(4)测长度,算速度:某时刻的瞬时速度的计算应用vn=eq\f(hn+1-hn-1,2T),不能用vn=eq\r(2ghn)或vn=gt来计算.
(5)此实验中不需要测量重物的质量.
6.误差分析
(1)系统误差:本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服阻力(空气阻力、打点计时器阻力)做功,故重物动能的增加量ΔEk稍小于其重力势能的减少量ΔEp,即ΔEk<ΔEp,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.
(2)偶然误差:本实验的另一个误差来源于长度的测量,属于偶然误差.减小误差的方法是测下落距离时都__从O点测量__,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.
教材原型实验
在“验证机械能守恒定律”的实验中,质量m为1.0kg的重物自由下落,带动纸带打出一系列的点,如图所示.相邻计数点间的时间间隔为0.02s,距离单位为cm.
(1)纸带的__左__(填“左”或“右”)端与重物相连.
解析:与重物相连的纸带一端应该先打出点,先打出点的速度较小,从纸带图上可以看出是左端.
(2)打点计时器打下计数点B时,物体的速度vB=__0.98__m/s.(结果保留两位有效数字)
解析:物体的速度vB=eq\f(xAC,2T)=eq\f((7.06-3.14)×10-2,0.04)m/s=0.98m/s.
(3)从起点O到打下计数点B的过程中物体的动能增加量ΔEk=__0.48__J,势能减少量ΔEp=__0.49__J.(取g=9.8m/s2,计算结果均保留两位有效数字)
解析:从起点O到打下计数点B的过程中物体的动能增加量ΔEk=eq\f(1,2)mveq\o\al(2,B)=eq\f(1,2)×1×0.982J≈0.48J.
重力势能减少量ΔEp=mgh=1×9.8×0.0501J≈0.49J.
(4)通过计算,数值上ΔEk__小于__(填“大于”“等于”或“小于”)ΔEp,这是因为__实验中有空气阻力和摩擦阻力__.
解析:通过计算,数值上ΔEkΔEp,实验中有空气阻力和摩擦阻力.
(5)实验的结论为__在实验误差范围内,重力势能的减少量与动能的增加量相等,机械能守恒__.
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