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1、8.5实验：验证机械能守恒定律第八章机械能守恒定律一、实验目的：通过实验验证机械能守恒定律通过实验验证机械能守恒定律问题1：机械能守恒的条件是什么？只有重力或弹力做功只有重力或弹力做功问题2：满足这一条件的过程有哪些？自由落体运动自由落体运动物体沿固定光滑斜面下滑物体沿固定光滑斜面下滑小球的摆动小球的摆动xy平抛运动平抛运动利用自由落体运动验证机械能守恒定律v1h1h2ABv2 质量为质量为m的物体从的物体从O点自由下落，点自由下落，以地面为零以地面为零势能面势能面，如果忽略空气阻力，下落过程中任意两，如果忽略空气阻力，下落过程中任意两点点A和和B的机械能守恒，即的机械能守恒，即 也可以计算重
2、物在某两点间动能的增加量是也可以计算重物在某两点间动能的增加量是否等于重力势能的减少量否等于重力势能的减少量二、实验原理：为了方便起见，可以直接从下落的初始位置为了方便起见，可以直接从下落的初始位置O点点来进行研究，此时初动能为来进行研究，此时初动能为0，则从起始点到下落过，则从起始点到下落过程中任意一点有：程中任意一点有：vhOA任意一点的瞬时速度任意一点的瞬时速度v，该点到初始点的高度差，该点到初始点的高度差h。问题3.需要测量哪些物理量？质量质量m呢？呢？不需要问题4.需要用到哪些实验仪器来测量下落高度以及任意一点的瞬时速度？刻度尺、打点计时器三、实验器材：夹子打点计时器纸带重物？铁架台
3、打点计时器打点计时器纸带纸带重物重物铁架台（带铁夹）铁架台（带铁夹）刻度尺刻度尺交流电源等交流电源等四、实验步骤：1.1.安装置：安装置：安装打点计时器、接好电路、将纸带安装打点计时器、接好电路、将纸带一端与重物相连一端与重物相连,另一端穿过打点计时器的限位另一端穿过打点计时器的限位孔孔,用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方的地方2.2.打纸带：打纸带：先接通电源先接通电源，待计时器工作稳定，待计时器工作稳定后释后释放纸带放纸带，及时切断电源，取下纸带及时切断电源，取下纸带3.3.更换纸带更换纸带，重复做重复做3 35 5次试验次试验1 1、选择重
4、物时有、选择重物时有何要求，为什么何要求，为什么？2 2、安装打点计时、安装打点计时器时，应注意什么器时，应注意什么问题，释放纸带时问题，释放纸带时有什么要求？这样有什么要求？这样做的目的是什么做的目的是什么?四、实验步骤：问题问题 5.选择重物时有何要求，为什么？选择重物时有何要求，为什么？应选用应选用质量质量和和密度较大密度较大的重物，增大重力，可使阻力的影响相对较小，的重物，增大重力，可使阻力的影响相对较小，增大密度可以减小体积，可使空气阻力减小。增大密度可以减小体积，可使空气阻力减小。问题问题6.安装打点计时器时，应注意什么问题，释放纸带时有什么安装打点计时器时，应注意什么问题，释放纸
5、带时有什么要求？这样做的目的是什么要求？这样做的目的是什么?打点计时器要稳定固定在铁架台上，同时保证重物有足够的下落空间。打点计时打点计时器要稳定固定在铁架台上，同时保证重物有足够的下落空间。打点计时器平面与纸带限位孔调整在器平面与纸带限位孔调整在竖直竖直方向，用两条纸带是为了充分利用碳沫纸盘受摩方向，用两条纸带是为了充分利用碳沫纸盘受摩擦均匀打点，同时需擦均匀打点，同时需保持纸带竖直保持纸带竖直，以减小摩擦阻力，以减小摩擦阻力，先接通电源先接通电源，再释放纸带再释放纸带。打点完毕后，打点完毕后，先关闭电源先关闭电源，再取纸带再取纸带。五、数据处理：问题问题7.纸带如何选取？点迹清晰点迹清晰前
6、前两点间的距离约为两点间的距离约为2 mm（确保初位置速度为（确保初位置速度为0）？如果没有符合这一条件的怎么办，该如何验证？如果没有符合这一条件的怎么办，该如何验证？五、数据处理：问题问题8.距离如何测量？在距离在距离O O点较远处依次点较远处依次标记标记计数点计数点1 1、2 2、33用刻度尺从初始点开始，一次测量出各点对应刻度。用刻度尺从初始点开始，一次测量出各点对应刻度。O12345h1h2h3h4h5五、数据处理：五、数据处理：资料五、数据处理：3.各点瞬时速度如何计算？中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度nxn xn+1自由落体运动实
7、质是：初速度初速度为0，加速度，加速度为g的匀加速直的匀加速直线运运动T：时间间隔(0.02 s)五、数据处理：4.数据分析v1v2v3v4v5v6h1h2h3h4h5h6六、实验结论：结论：在误差允许的范围内，自由落体运动的动能的增加量和重力势能的减少量近似相等，即总的机械能保持不变。1.偶然误差：偶然误差：测量长度时会带来误差。测量长度时会带来误差。2.系统误差：系统误差：实验中重物和纸带下落过程中要克服各种阻力实验中重物和纸带下落过程中要克服各种阻力做功，故动能的增加量做功，故动能的增加量Ek 必定稍小于势能的减少量必定稍小于势能的减少量EP 。七、误差分析：减小误差：用刻度尺从初始点开
8、始，一次测量出各点对应刻度。或者减小误差：用刻度尺从初始点开始，一次测量出各点对应刻度。或者多次测量取平均值。多次测量取平均值。减小误差：调整器材的安装，注意实验操作，减小系统误差减小误差：调整器材的安装，注意实验操作，减小系统误差阻力：空气阻力和纸带与计时器之间的摩擦力(电火花优于电磁）3打点计时器产生的误差：打点计时器产生的误差：(1)1)1)1)由于交流电频率的变化，引起打点时间间隔变化而产生误差；由于交流电频率的变化，引起打点时间间隔变化而产生误差；由于交流电频率的变化，引起打点时间间隔变化而产生误差；由于交流电频率的变化，引起打点时间间隔变化而产生误差；(2)(2)(2)(2)计数点
9、选择不好，振动片振动不均匀（电磁），纸带放置不正确都会造成实验误差计数点选择不好，振动片振动不均匀（电磁），纸带放置不正确都会造成实验误差计数点选择不好，振动片振动不均匀（电磁），纸带放置不正确都会造成实验误差计数点选择不好，振动片振动不均匀（电磁），纸带放置不正确都会造成实验误差八、注意事项：八、注意事项：九、反思改进：1、此数据处理方法的局限性，其他数据处理方法2、其他验证机械能守恒的方法任意两点迹清晰的点图像法气垫导轨验证机械能守恒本处理方法的局限性测出高度差hCD和两点的速度vC、vD 如果第一个点迹不清楚，如何处理下落任意两点O图像法BCDEF计数点数点BCDEFhn(10-2m)1
10、4.88 18.34 22.30 26.5031.28vn2/2(m2/s2)1.415 1.721 2.081 2.5202.940图像法实验数据y=9.4001x+0.0053k=9.4001g=9.78984 m/s2误差：斜率略小于g利用气垫导轨验证机械能守恒定律物体沿倾斜导轨下滑，下落过程中经过两光电门，两光电门的高度，用刻度尺测量，物体沿倾斜导轨下滑，下落过程中经过两光电门，两光电门的高度，用刻度尺测量，则减少的重力势能为则减少的重力势能为mghmgh；用光电门处测量滑块的瞬时速度，质量用天平；用光电门处测量滑块的瞬时速度，质量用天平测出测出.1 1、实验装置、实验装置2 2 2
11、2、实验演示、实验演示、实验演示、实验演示 利用气垫导轨验证机械能守恒定律。实验装示意图如图利用气垫导轨验证机械能守恒定律。实验装示意图如图利用气垫导轨验证机械能守恒定律。实验装示意图如图利用气垫导轨验证机械能守恒定律。实验装示意图如图1 1 1 1所示：所示：所示：所示：（1 1 1 1）实验步骤：）实验步骤：）实验步骤：）实验步骤：将气垫导轨放在水平桌面上，桌面高度不低于将气垫导轨放在水平桌面上，桌面高度不低于将气垫导轨放在水平桌面上，桌面高度不低于将气垫导轨放在水平桌面上，桌面高度不低于1m1m1m1m，将导轨调至水平。，将导轨调至水平。，将导轨调至水平。，将导轨调至水平。用游标卡尺测量
12、挡光条的宽度用游标卡尺测量挡光条的宽度用游标卡尺测量挡光条的宽度用游标卡尺测量挡光条的宽度L L L L，结果如图所示，由此读出，结果如图所示，由此读出，结果如图所示，由此读出，结果如图所示，由此读出L=mmL=mmL=mmL=mm。由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离x x x x将滑块移至光电门将滑块移至光电门将滑块移至光电门将滑块移至光电门1 1 1 1左侧某处，待砝码静止不动时，释放滑块，要求砝码落地前挡光条已左侧某处，待砝码静止不动时，释放滑块，要求砝码落地前挡光条已左侧某处，
13、待砝码静止不动时，释放滑块，要求砝码落地前挡光条已左侧某处，待砝码静止不动时，释放滑块，要求砝码落地前挡光条已通过光电门通过光电门通过光电门通过光电门2 2 2 2从数字计时器（图中未画出）上分别读出挡光条通过光电门从数字计时器（图中未画出）上分别读出挡光条通过光电门从数字计时器（图中未画出）上分别读出挡光条通过光电门从数字计时器（图中未画出）上分别读出挡光条通过光电门1 1 1 1和光电门和光电门和光电门和光电门2 2 2 2所用的时间所用的时间所用的时间所用的时间tttt1 1 1 1和和和和tttt2 2 2 2 用天平称出滑块和挡光条的总质量用天平称出滑块和挡光条的总质量用天平称出滑块
14、和挡光条的总质量用天平称出滑块和挡光条的总质量M M M M，再称出托盘和砝码的总质量，再称出托盘和砝码的总质量，再称出托盘和砝码的总质量，再称出托盘和砝码的总质量m m m m（2 2 2 2）用表示直接测量量的字写出下列所求物理量的表达式：）用表示直接测量量的字写出下列所求物理量的表达式：）用表示直接测量量的字写出下列所求物理量的表达式：）用表示直接测量量的字写出下列所求物理量的表达式：当滑块通过光电门当滑块通过光电门当滑块通过光电门当滑块通过光电门1 1 1 1和光电门和光电门和光电门和光电门2 2 2 2时，系统（包括滑块、挡光条、托盘和码）的总动能分别为时，系统（包括滑块、挡光条、托
15、盘和码）的总动能分别为时，系统（包括滑块、挡光条、托盘和码）的总动能分别为时，系统（包括滑块、挡光条、托盘和码）的总动能分别为Ek1=Ek1=Ek1=Ek1=和和和和Ek2=_Ek2=_Ek2=_Ek2=_如果表达式如果表达式如果表达式如果表达式 成立，则可认为验证了机械能守恒定律。成立，则可认为验证了机械能守恒定律。成立，则可认为验证了机械能守恒定律。成立，则可认为验证了机械能守恒定律。利用自由落体运动验证机械能守恒定律一、实验器材：一、实验器材：二、实验步骤：二、实验步骤：三、数据处理三、数据处理打点计时器、纸带、刻度尺、重物、铁架台（带铁夹）、交流打点计时器、纸带、刻度尺、重物、铁架台（带铁夹）、交流电源等。电源等。利用自由落体运动验证机械能守恒定律四、误差分析四、误差分析系统误差、偶然误差以及相应的减小误差的措施系统误差、偶然误差以及相应的减小误差的措施五、实验结论五、实验结论结论：在误差允许的范围内，自由落体运动的动能的增加结论：在误差允许的范围内，自由落体运动的动能的增加量和重力势能的减少量近似相等，即机械能守恒。量和重力势能的减少量近似相等，即机械能守恒。