№ 5. Изучение закона сохранения механической энергии Цель работы Научиться измерять потенциальную энергию поднятого над землёй тела и деформированной пружины; сравнить два…
№ 5. Изучение закона сохранения механической энергии Цель работы Научиться измерять потенциальную энергию поднятого над землёй тела и деформированной пружины; сравнить два значения потенциальной энергии системы. Оборудование Штатив с муфтой и лапкой, динамометр лабораторный, линейка, груз массой m на нити длиной l, набор картонок толщиной порядка 2 мм, краска и кисточка. Указания к работе Для выполнения работы собирают установку, показанную на рисунке Для выполнения работы собирают установку, показанную на рисунке Л.4. Динамометр укрепляется в лапке штатива. Порядок выполнения работы 1. Привяжите груз к одному концу нити, другой конец нити привяжите к крючку динамометра и измерьте вес груза FT = mg (в данном случае вес груза равен силе тяжести). 2. Измерьте длину l нити, на которой привязан груз. 3. На нижний конец груза нанесите немного краски. 4. Поднимите груз до точки закрепления нити к крючку динамометра. 5. Отпустите груз и убедитесь по отсутствию краски на столе, что груз не касается его при падении. 6. Повторяйте опыт, каждый раз подкладывая картонки до тех пор, пока на верхней картонке не появятся следы краски. 7. Взявшись за груз рукой, растяните пружину до его соприкосновения с верхней картонкой и измерьте динамометром максимальную силу упругости Fynp и линейкой максимальное растяжение пружины Δl, отсчитывая его от нулевого деления динамометра. 8. Вычислите высоту, с которой падает груз: h = l + Δl (это высота, на которую смещается центр тяжести груза). 9. Вычислите потенциальную энергию поднятого груза: Е'п = mg(l + Δl). 10. Вычислите энергию деформированной пружины: Вычислите энергию деформированной пружины Подставив выражение для k в формулу для энергии Е"п, получим Подставив выражение для k в формулу для энергии получим 11. Результаты измерений (в СИ) и вычислений занесите в таблицу 7. Результаты измерений (в СИ) и вычислений занесите в таблицу 7 12. Сравните значения энергий Е'п и Е"п. Подумайте, почему значения этих энергий совпадают не совсем точно.
Цель данного эксперимента – изучение закона сохранения механической энергии через измерение потенциальной энергии груза и энергии деформированной пружины. Давайте более подробно рассмотрим каждый этап.
Основные понятия
Потенциальная энергия (Е'п) – это энергия, которую тело имеет за счет своего положения. Для поднятого груза она вычисляется по формуле:
\[ Е'п = mgh \]
где \( m \) – масса груза, \( g \) – ускорение свободного падения, \( h \) – высота подъема груза.
Сила упругости (Fупр) – это сила, возникающая в пружине при ее деформации. Она описывается законом Гука:
\[ Fупр = k \Delta l \]
где \( k \) – жесткость пружины, \( \Delta l \) – изменение длины пружины.
Энергия деформированной пружины (Е"п) – вычисляется по формуле:
\[ Е"п = \frac{1}{2} k (\Delta l)^2 \]
Порядок выполнения работы
Измерение веса груза: Выставьте динамометр вертикально и привяжите к нему груз. Запишите значение силы тяжести \( F_T = mg \).
Измерение длины нити: Замерьте длину нити \( l \), на которой находится груз.
Подъем груза: Поднимите груз до точки крепления и отпустите, чтобы убедиться, что он свободно падает (что он не касается стола).
Подкладка картонок: Увеличивайте количество картонок, пока на верхней картонке не останется следов краски от груза.
Измерение силы упругости: Когда груз соприкоснётся с картонкой, измерьте максимальную силу упругости с помощью динамометра и максимальное растяжение пружины.
Вычисление высоты: Высота падения груза определяется как \( h = l + \Delta l \).
Далее, подставьте значения для вычисления:
\[ Е'п = mg(l + \Delta l) \]
Вычисление энергии пружины: Для этого вы должны знать значение жесткости пружины \( k \). Подставьте полученные данные в формулу:
\[ Е"п = \frac{1}{2} k (\Delta l)^2 \]
Заполнение таблицы
Внесите все измеренные и вычисленные значения в таблицу 7, включая массы, высоты, силы и полученные энергии.
Сравнение энергий
Когда вы сравните величины \( Е'п \) и \( Е"п \), возможно, вы заметите небольшие расхождения. Это связано с несколькими факторами:
- Потери энергии: Во время падения могут происходить потери энергии из-за трения, звука и тепла.
- Неидеальности системы: Пружины могут не полностью восстанавливать свою форму или могут иметь инерцию.
- Ошибки измерений: Необходимо учитывать возможные погрешности в измерениях.
Обратите внимание на то, что закон сохранения механической энергии обычно выполняется в идеальных условиях, поэтому в реальности могут быть небольшие расхождения значений.
Этот эксперимент поможет вам лучше понять концепцию энергии и её преобразование в различных системах. Удачи в изучении!
