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 = mv²/2 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	∆Ep = mgh, Дж	l, м	H, м	V=l/√2Н/g, м/с	, Дж
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?