Лабораторная рас Изучение закона сохранения механической энергии Цель работы: научатся измерять потенциальную энергию поднятого над землей тела и упруго деформированной пружины,…
Лабораторная рас Изучение закона сохранения механической энергии Цель работы: научатся измерять потенциальную энергию поднятого над землей тела и упруго деформированной пружины, сравнивать два значения потенциальной энергии системы. Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, динамометр лабораторный с фиксатором, лента измерительная, груз на нити длиной около 25 см. Рис. 1 Рис. 2 фиксатор * нить фиксатор х Ход работы: 1. Определяем вес шарика F1=1 Н. h 2. Расстояние 1 от крючка динамометра до центра тяжести шарика 40 см. 3. Максимальное удлинение пружины ∆1=5 см. 4. Сила F=20 H, F/2=10 Н. 5. Высота падения h=1+ ∆ 1=40+5=45см=0,45м. 6. Ep1=F1x(l+ ∆ 1)=1Н×0,45м=0,45Дж. 7. Ер2=F/2x AL=10H×0,05м=0,5Дж. 8. Результаты измерений и вычислений занесем в таблицу: F1=mg (H) | L (см) AL (CM) h(cm) F (H) 1 40 5 20 45 Ері (Дж) 0,45 Ерг (Дж) 0,5 9. Оценить границы погрешности определения потенциальной энергии растянутой пружины и кинетической энергии шара. 2 Fyx E, = Ер = + ∆х X ДЕР = ЕрЕр Ex= 2 msg εEx 4h = Дт 2∆ѕ + Д ДЕК = ЕкЕк + m S h Вывод: Опытным путем измерили потенциальную энергию поднятого над землей тела и упруго деформированной пружины. При измерениях и вычислениях получили примерно одинаковые потенциальные энергии, что подтверждает закон сохранения энергии. Контрольные вопросы 1. Каким выражением определяется потенциальная энергия деформированной пружины? 2. Каким выражением определяется кинетическая энергия тела? 3. При каких условиях выполняется закон сохранения механической энергии?
Для понимания задачи, давайте разбрем её по шагам.
Закон сохранения механической энергии
Закон сохранения механической энергии утверждает, что в замкнутой системе (где нет внешних воздействий) полная механическая энергия остаётся постоянной. Это значит, что потенциальная энергия может преобразовываться в кинетическую и наоборот, но их сумма остаётся неизменной.
Опыт
В данном эксперименте вы измеряете две формы потенциальной энергии:
- Потенциальная энергия поднятого над землёй тела (в данном случае это шарик).
- Потенциальная энергия упругой деформации пружины.
Шаги выполнения работы
Определение веса шарика (F1):
- Измеряете вес шарика с помощью динамометра: \( F_1 = 1 \, \text{Н} \).
Определение высоты (h):
- Высота от крючка динамометра до центра тяжести шарика составляет 40 см.
- Максимальное удлинение пружины \( \Delta_1 = 5 \, \text{см} \).
- Общая высота падения: \[ h = 40 \, \text{см} + 5 \, \text{см} = 45 \, \text{см} = 0.45 \, \text{м}. \]
Расчет потенциальной энергии (Ep1):
- Потенциальная энергия поднятого тела вычисляется по формуле: \[ E_{p1} = F_1 \times h. \]
- Подставляем известные значения: \[ E_{p1} = 1 \, \text{Н} \times 0.45 \, \text{м} = 0.45 \, \text{Дж}. \]
Расчет потенциальной энергии пружины (Ep2):
- Сила, приложенная к пружине, составляет \( F = 20 \, \text{Н} \).
- Половина этой силы: \[ \frac{F}{2} = 10 \, \text{Н}. \]
- Удлинение пружины, \( A_L = 5 \, \text{см} = 0.05 \, \text{м} \).
- Потенциальная энергия пружины вычисляется по формуле: \[ E_{p2} = \frac{F}{2} \times A_L. \]
- Подставляем значения: \[ E_{p2} = 10 \, \text{Н} \times 0.05 \, \text{м} = 0.5 \, \text{Дж}. \]
Заполнение таблицы
Следует занести результаты в таблицу для упрощения дальнейших расчетов и анализа.
| Параметры | Значения |
|---|---|
| \( F_1 \) (Н) | 1 |
| \( h \) (см) | 45 |
| \( F \) (Н) | 20 |
| \( E_{p1} \) (Дж) | 0.45 |
| \( E_{p2} \) (Дж) | 0.5 |
Оценка погрешностей
Происходит оценка границ погрешности для данных измерений. Это нужно, чтобы определить, насколько точно были приняты ваши измерения относительно теоретических значений.
Контрольные вопросы
Какое выражение для потенциальной энергии деформированной пружины? \[ E_{p} = \frac{1}{2} k x^2, \] где \( k \) — жесткость пружины, \( x \) — удлинение пружины.
Какое выражение для кинетической энергии тела? \[ E_k = \frac{1}{2} mv^2, \] где \( m \) — масса тела, \( v \) — скорость тела.
При каких условиях выполняется закон сохранения механической энергии? Закон сохраняется при отсутствии внешних сил (например, трения, сопротивления воздуха) и в случае, если энергия не покидает систему (например, не преобразуется в теплоту или другие формы).
Вывод
В результате эксперимента вы получили близкие значения энергетических потенциальных энергий, что подтверждает закон сохранения энергии. Это важный принцип физики, который влияет на многие аспекты в механике.
