实验验证机械能守恒定律

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1、第9节实验：验证机械能守恒定律理解领悟本实验属验证性学生实验，实验目的是利用重物的自由下落验证机械能守恒定律。要掌握实验的方法与技巧、实验数据的采集与处理，分析实验误差，从而不仅从理论上了解机械性能守恒定律，而且通过实际观测从感性上增加认识，深化对机械能守恒定律的理解。教材中介绍了测量瞬时速度的更为简单而准确的方法，要明白其道理。基础级1. 实验原理用研究物体自由下落的运动来验证机械能守恒定律的实验原理是：忽略空气阻力，自由下落的物体在运动过程中机械能守恒，即动能的增加等于重力势能的减少。具体地说：① 若以重物下落的

2、起始点O为基准，设重物的质量为m，测出物体自起始点O下落距离h时的速度v，则在误差允许范围内，由计算得出，机械能守恒定律即被验证。② 若以重物下落过程中的某一点A为基准，设重物的质量为m，测出物体对应于A点的速度vA ，再测出物体由A点下落△h后经过B点的速度vB，则在误差允许范围内，由计算得出，机械能守恒定律即被验证。2. 操作步骤实验时，可按以下步骤进行：①用天平称出重物的质量；②把打点计时器固定到桌边的铁架台上；③把打点计时器接到低压交流电源上；④把纸带固定到重物上，并把纸带穿过打点计时器，提升到一定高度；⑤接

3、通电源，释放纸带；⑥断开电源，调整纸带，重做两次；⑦拆掉导线，整理仪器；⑧用毫米刻度尺测出计数点间的相关距离，记录数据，并计算出结果，得出结论。3. 纸带的选取关于纸带的选取，我们分两种情况加以说明：①用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、2两点间的距离接近2mm的纸带。②用验证这是回避起始点，在纸带上选择后面的某两点验证机械能守恒定律的方法。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，势能的大小不必从起始点

4、开始计算。这样，纸带上打出起始点O后的第一个0.02s内的位移是否接近2mm，以及第一个点是否清晰也就无关紧要了。实验打出的任何一条纸带，只要后面的点迹清晰，都可以用于计算机械能是否守恒。当然，实验开始时如果不是用手提着纸带的上端，而是用夹子夹住纸带的上端，待开始打点后再松开夹子释放纸带，打点计时器打出的第一个点的点迹清晰，计算时从第一个计时点开始至某一点的机械能守恒，其误差也不会太大。回避第一个计时点的原因也包括实验时手提纸带的不稳定，使第一个计时点打出的点迹过大，从而使测量误差加大。1. 速度的测量本节教材特别介

5、绍了测量瞬时速度的更为简单而准确的方法，这就是：做匀变速直线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。对此，教材中有详细的导出过程，我们也可换一种思路进行推导：如教材图5.9-2所示，由于纸带做匀加速运动，故有A、C之间的平均速度。又根据速度公式有vB=vA+a△t，vC=vB+a△t，故有 vB－vA=vC－vB，图5—59tvCvv0vAvBOtAtBtC即 。从而， 。对于上述结论，我们不但应当懂得公式导出的道理，会推导公式，还可以结合v—t图象了解时间中点的瞬时速度和相应时间内平均速度相等的物理意

6、义，如图5—59所示。2. 误差分析重物和纸带下落过程中要克服阻力，主要是纸带与计时器之间的摩擦力。计时器平面不在竖直方向，纸带平面与计时器平面不平行是阻力增大的原因。电磁打点计时器的阻力大于电火花计时器。由于阻力的存在，重物动能的增加量稍小于势能的减少量，即Ek＜Ep。交流电的频率f不是50Hz也会带来误差。若f＞50Hz，由于速度值仍按频率为50Hz计算，频率的计算值比实际值偏小，周期值偏大，算得的速度值偏小，动能值也就偏小，使Ek＜Ep的误差进一步加大；根据同样的道理，若f＜50Hz，则可能出现Ek＞Ep的结果

7、。实验用的纸带一般小于1m，从起始点开始大约能打出20个点。终结位置的点可选择倒数第二个点，从这一个点向前数4~6个点当开始的点，可以减小这两个点瞬时速度及两点之间距离（高度差△h）测量的误差。发展级3. 设备安装的改进做好本实验的关键是尽量减少重物下落时纸带所受到的阻力。实验设备安装时，为使纸带受到的阻力尽可能小，计时器必须固定，并且计时器平面应在竖直方向。教材图5.9-1所示的实验装置是将电火花计时器临空固定在铁架台的铁杆上的，实验操作时易于晃动。最好将电火花计时器下移，使之紧贴铁架台的底座或实验桌面，比较稳固。

8、4. 打点计时器的使用在前面几章内容的学习中，我们已经多次使用过打点计时器。在此，我们对打点计时器的使用作一简单的总结。电磁打点计时器应接4~6V交流电源，当交变电流的频率为50Hz时，打点周期为0.02s。为使打点的频率比较稳定，要求打点计时器振动片的固有频率也是50Hz，使之发生共振现象。振动片的长度可在一定范围内调节，通过改变振动片的长度