Лабораторная работа "Изучение закона сохранения механической энергии"


Лабораторная работа
ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Цель работы: экспериментально установить, что полная механическая энергия
замкнутой системы остается неизменной, если между телами действуют только силы
тяготения и упругости.
Оборудование: прибор для демонстрации независимости действия сил; весы, гири,
линейка измерительная; отвес; белая и копировальная бумага; штатив для фронтальных
работ.
Содержание работы.
Установка для опыта показана на рисунке. При отклонении стержня А от
вертикального положения шар на его конце поднимется на некоторую
высоту h относительно начального уровня. При этом система взаимодействующих тел
«Земля—шар» приобретает дополнительный запас потенциальной энергии E
p
= mgh.
Если стержень освободить, то он возвратится в вертикальное положение, где будет
остановлен специальным упором. Считая силу трения очень малой, можно принять, что
во время движения стержня на шар действуют только гравитационные силы и силы
упругости. На основании закона сохранения механической энергии можно ожидать, что
кинетическая энергия шара в момент прохождения исходного
положения будет равна изменению его потенциальной
энергии:
Вычислив кинетическую энергию шара и изменение его
потенциальной энергии, и сравнив полученные результаты,
можно экспериментально проверить закон сохранения
механической энергии. Чтобы вычислить изменение
потенциальной энергии шара, нужно определить его массу тна
весах и измерить с помощью линейки высоту h подъема шара.
Для определения кинетической энергии шара необходимо
измерить модуль его скорости υ. Для этого прибор укрепляют над поверхностью стола,
отводят стержень с шаром в сторону до высотыH + h и затем отпускают. При ударе
стержня об упор шар соскакивает со стержня.
Скорость шара во время падения изменяется, однако горизонтальная составляющая
скорости остается неизменной и равной по модулю скорости υ шара в момент удара
стержня об упор. Поэтому скорость υ шара в момент срыва со стержня можно
определить из выражения
V= l / t , где l дальность полета шара, t время его падения.
Время t свободного падения с высоты H (см. рис. 1) равно: , поэтому
V= l/ 2Н/g. Зная массу шара, можно найти его кинетическую энергию: Eк = mv
2
/2 и
сравнить ее с потенциальной энергией.
Порядок выполнения работы
1. Укрепите прибор в штативе на высоте 20—30 см над столом, как показано на
рисунке. Наденьте шар отверстием на стержень и сделайте предварительный опыт. На
месте падения
шара закрепите липкой лентой лист белой бумаги и накройте его листом копировальной
бумаги.
3. Надев снова шар на стержень, отведите стержень в сторону, измерьте высоту
подъема шара h по отношению к первоначальному уровню и отпустите стержень. Сняв
лист копировальной бумаги, определите расстояние l между точкой на столе под шаром
в его начальном положении, найденной по отвесу, и отметкой на листе бумаги в месте
падения шара.
4. Измерьте высоту шара над столом в начальном положении. Взвесьте шар и
вычислите изменение его потенциальной энергии E
p
и кинетическую энергию Ек в
момент прохождения шаром положения равновесия.
5. Повторите опыт при двух других значениях высоты h и сделайте измерения и
вычисления. Результаты занесите в таблицу.
6. Оцените абсолютные погрешности измерений потенциальной и кинетической
энергии шара в ваших опытах.
7. Сравните значения изменений потенциальной энергии шара с его кинетической
энергией и сделайте вывод о результатах вашего эксперимента
Выполнение работы
опыта
m,
кг
H,
м
E
p
= mgh,
Дж
l,
м
H,
м
V=l/2Н/g, м/с
1
2
3
Расчеты:
Вывод:
Контрольные вопросы.
1. Какие потери энергии не учитываются при выполнении данной работы?
2. Как объяснить, что при расчете модуля скорости шара были использованы
уравнение равномерного движения l = υt и уравнение равноускоренного
движения ?
3. При каких условиях применим закон сохранения механической энергии?