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2019-2020年高中物理 實驗手冊 第二部分 實驗8 驗證機械能守恒定律 [實驗目的] 驗證機械能守恒定律。 [實驗器材] 打點計時器（電火花或電磁），重錘，紙帶，電源，導線，鐵架臺，刻度尺。 [實驗原理] 在只有重力做功的情形下，物體的動能和勢能發(fā)生互相轉(zhuǎn)化，但總機械能保持不變，這個結(jié)論叫做機械能守恒定律。利用打點計時器在紙帶上記錄下物體自由下落的高度h及計算出瞬時速度v，從而可求出物體在自由下落過程中，重力勢能的減少量△Ep = mgh與物體動能的增加量△Ek = mV2/2，如有式子成立，可驗證機械能守恒定律。 由上式看出，只要測出下落的高度h和下落h時的瞬時速度V，再利用當?shù)氐闹亓铀俣萭的數(shù)值， 就能比較和mgh。由于只須驗證和mgh是否相等，并不需要求出和mgh 的數(shù)值，故實驗不需測重錘的質(zhì)量m。 在承認機械能守恒定律的前提下，也可以利用這個實驗測出當?shù)刂亓铀俣鹊臄?shù)值。 [實驗指導] 1. 實驗中，應調(diào)整打點計時器的底板豎直，減小各處的摩擦。另外，因為忽略了空氣阻力對實驗的影響，所以應選用質(zhì)量較大的重錘。 2. 為了保證打點計時器打的第一點記錄的是重錘做自由落體運動初始點的位置，必須選用第一、二點的距離接近2毫米的紙帶進行測量。這是因為打點計時器的打點周期是0.02秒，而自由落體在最初的0.02秒內(nèi)下落的高度是 所以紙帶第一、二兩點間的距離接近2毫米時，意味紙帶是在打第一個點的瞬間開始下落的。 3．為了得到“2”中要求的紙帶，必須多打幾條紙帶，以便從中挑選。 [實驗步驟] 1. 按圖7-1所示安裝實驗器材。鐵架臺放在實驗桌邊，用燒瓶夾夾緊打點計時器。調(diào)節(jié)打點計時器底板處于豎直狀態(tài)。打點計時器的接線柱用導線分別與學生電源的交流輸出端相連，用交流6伏電壓（電火花計時器用220伏交流電）。 2. 取一條紙帶（火花計時器用兩條），將其一端夾在重錘上，另一端穿過打點計時器的限位孔，用手提著使重錘靜止并靠近打點計時器。 3. 接通電源，放手松開紙帶（要求一人操作，以上兩個動作同時進行），讓它與重錘一起自由下落，紙帶落出限位孔，關(guān)閉電源。 4. 取下紙帶，編上號碼，重做幾次。 5. 選取一條點跡清晰且第一、二點距離接近2毫米的紙帶，從第一點開始計為0點，再在紙帶后面的點中上選取五個連續(xù)點1、2、3、4、5，測量各點到0點的距離h1、h2、h3、h4、h5，見下圖7－2，則各點相應勢能減小為mgh。 圖7－2 1 2 3 4 5 h1 h2 h3 h4 h5 0 6.因物體做勻變速直線運動，可用某一時間內(nèi)的平均速度等于中間時刻瞬時速度的規(guī)律分別計算出2、3、4三點的速度，例如2點瞬時速度，算出動能 7. 比較勢能的減小與動能增加的關(guān)系。 [問題思考] 1. 實驗中，為什么要選擇第一，二點距離接近2毫米的紙帶？ 2. 本實驗為什么不用測量重錘的質(zhì)量？ 3. 為減小實驗誤差 ，實驗選用了質(zhì)量較大的重錘，說明這樣做的原因？ 4. 本實驗在處理數(shù)據(jù)時，如果不從第一個點（速度為零的點）算起，而 是從后面的某一點算起，例如從2點算起，利用2－4間高度變化，說明怎樣計算動能變化和勢能變化，如何驗證機械能守恒定律？ 5. 重錘在第一個時間間隔內(nèi)，正常的情況下，下降高度應為————————， 實際實驗中在紙上打出的第一、 二點距離都會————————于上述數(shù)值，造成這種情況的原因是———————— ————————？因此，應該多做幾次，選取第一、 二點間距接近上述數(shù)值的紙帶進行計算。 6. 某學生打出的紙帶如圖7-3所示。各實驗點與0點之間的距離分別為 h1==4.92厘米、h2=7.05厘米、h3=9.61厘米、h4=12.55厘米、h5=15.88厘米，g=9.80米/秒2。 1 2 3 4 5 h1 h2 h3 h4 h5 0 圖 7—3 （1） 從0點到4點，重力勢能減小值為_____________________，4點速度為 _________________，從0點刻4點動能增加值為___________________。根據(jù)________可以判斷__________。 （2） 從2點到4點，重力勢能減少值為_________，2點速度是 __________，從2點到4點動能增加值為__________，根據(jù)________可以判定_______________。 7. 實驗中，處理數(shù)據(jù)要用到重力加速度，下列說法中正確的是（ ）。 A．不管在何處實驗，g都取9.8米/秒2； B. g應取當?shù)刂亓铀俣鹊闹担? C. g應從實驗中打出的紙帶測得的數(shù)據(jù)計算出來。