教案-全国-2019_2019年高中物理 第七章 第9节 实验：验证机械能守恒定律讲义（含解析）新人教版必修2.doc

13实验：验证机械能守恒定律一、实验目的1．掌握利用自由落体运动验证机械能守恒定律的原理和方法。2．能正确测量数据，会用打点计时器打下的纸带计算物体运动的速度。二、实验原理让物体自由下落，忽略阻力情况下物体的机械能守恒，有两种方案验证物体的机械能守恒。方案1：以物体下落的起始点O为基准，测出物体下落高度h时的速度大小v，若eq\f(1,2)mv2＝mgh成立，则可验证物体的机械能守恒。方案2：测出物体下落高度h过程的初、末时刻的速度v1、v2，若关系式eq\f(1,2)mveq\o\al(2,2)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,1)＝mgh成立，则可验证物体的机械能守恒。三、实验器材铁架台(带铁夹)、打点计时器、重物(带纸带夹子)、纸带(数条)、复写纸、导线、毫米刻度尺、学生电源(交流4～6V)。四、实验步骤1．仪器安装按图所示将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路。2．打纸带和选纸带打纸带：将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，用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方。先接通电源，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落。更换纸带重复做3～5次实验。选纸带：分两种情况说明。(1)用eq\f(1,2)mv2＝mgh验证：这是以纸带上第一点(起始点)为基准验证机械能守恒定律的方法。由于第一点应是重物做自由落体运动开始下落的点，所以应选取点迹清晰且第1、2连续两点间的距离接近2mm的纸带。(2)用eq\f(1,2)mveq\o\al(2,B)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,A)＝mgΔh验证机械能守恒定律时，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，这样纸带上打出的第1、2两点间的距离是否为2mm就无关紧要了，只要后面的点迹清晰就可选用。3．纸带处理在起始点标上0，在以后各点依次标上1、2、3、……用刻度尺测出对应的下落高度h1、h2、h3、……五、数据处理1．求瞬时速度标出所打的第一个点为O，并从稍靠后的某一点开始，依次标出1、2、3、4、……并测量出各点到位置O的距离h1、h2、h3、h4、……用公式vn＝eq\f(hn＋1－hn－1,2T)计算出各点对应的瞬时速度v1、v2、v3、v4、……2．守恒验证方法一：利用起始点计算利用起始点和第n点计算。代入ghn和eq\f(1,2)v2，如果在实验误差允许的范围内，ghn＝eq\f(1,2)v2，则机械能守恒定律得到验证。方法二：任取两点计算(1)任取两点A、B测出hAB，求出ghAB。(2)求出A、B两点的瞬时速度，求出eq\f(1,2)veq\o\al(2,B)－eq\f(1,2)veq\o\al(2,A)的值。(3)如果在实验误差允许的范围内，ghAB＝eq\f(1,2)veq\o\al(2,B)－eq\f(1,2)veq\o\al(2,A)，则机械能守恒定律得到验证。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h，并计算各点速度的平方v2，然后以eq\f(1,2)v2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出eq\f(1,2)v2­h图线。若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，则验证了机械能守恒定律。六、注意事项1．尽可能地控制实验条件，即应满足机械能守恒的条件，这就要求尽量减小各种阻力，采取的措施有：(1)安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中线竖直，以减小摩擦阻力。(2)应选用质量和密度较大的重物，以减小空气阻力的影响。2．应先接通电源让打点计时器开始打点，再放开纸带让重物下落。3．选取纸带的原则(1)点迹清晰，实验时必须保持提起的纸带竖直，手不动，待接通电源，让打点计时器工作稳定后再松开纸带，以保证第1个点是一个清晰的点。(2)所打点呈一直线分布。(3)第1、2两点间距接近2mm，这说明打第1个点时重物的初速度近似为零，即h＝eq\f(1,2)gt2＝eq\f(1,2)×10×(0.02)2m＝2mm。4．为减小测量高度h的相对误差，选取的各计数点要离起始点较远一些，从起始点开始测出h1、h2、……再求出Δh＝h2－h1、……七、误差分析1．测量长度会带来偶然误差。减小偶然误差的办法：(1)测距离都应从O点测起。(2)多次测量取平均值。(3)选取的计数点应尽可能离O点远些，以减小相对误差。2．重物在拖着纸带下落的过程中必然受到阻力作用，主要是打点计时器与纸带间的摩擦力以及空气的阻力。克服这些阻力做功要消耗能量，所以重物动能的增加量ΔEk必定小于重力势能的减少量ΔEp。这是实验设计上带来的系统误差。3．打点计时器