Цель работы: проверить справедливость закона сохранения энергии.

Оборудование: 1) прибор для демонстрации независимости движения; 2) весы и разновес; 3) измерительная линейка; 4) отвес; 5) белая и копировальная бумага; 6) штатив лабораторный.

Виртуальная установка работы: http://mediadidaktika.ru/mod/page/view.php?id=549

В работе необходимо экспериментально установить, что механическая энергия замкнутой системы остается неизменной, если между телами действуют только силы тяготения и упругости.

Установка для опыта показана на рисунке 1. При отклонении стержня А от вертикального положения шарик на его конце поднимется на некоторую высоту hотносительно начального уровня. При этом система взаимодействующих тел Земля — шарик приобретает дополнительный запас потенциальной энергии DE_p=mgh.

Рис. 1

Если стержень освободить, то он возвратится в вертикальное положение до специального упора. Считая силы трения и изменения потенциальной энергии упругой деформации стержня очень малыми, можно принять, что во время движения стержня на шарик действуют только гравитационные силы и силы упругости. На основании закона сохранения механической энергии можно ожидать, что кинетическая энергия шарика в момент прохождения исходного положения будет равна изменению его потенциальной энергии:

, ,

где  - длина стержня,  - угол отклонения стержня от положения равновесия.

Для определения кинетической энергии шарика необходимо измерить его скорость. Для этого укрепляют прибор в лапке штатива на высоте Н над поверхностью стола, отводят стержень с шариком в сторону и затем отпускают. При ударе стержня об упор шарик соскакивает со стержня и продолжает вследствие инерции двигаться со скоростью  в горизонтальном направлении. Движение вдоль оси х равномерное, вдоль оси y равноускоренное с ускорением g. Измерив дальность полета шарика l при его движении по параболе, можно определить горизонтальную скорость :

где t— время свободного падения шарика с высоты Н. Определив массу шарика т с помощью весов, можно найти его кинетическую энергию  и сравнить ее с изменением потенциальной энергии DE_p.

Выполнение работы

1. Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений.

2. Прочно укрепите прибор в штативе на высоте 20-30 см над столом, как показано на рисунке 1. Наденьте шарик отверстием на стержень и сделайте предварительный опыт. На месте падения шарика расположите лист белой бумаги и накройте его листом копировальной бумаги. Лист белой бумаги закрепите липкой лентой.

3. Надев снова шарик на стержень, отведите стержень в сторону, измерьте высоту подъема шарика h по отношению к первоначальному уровню. Для этого измерьте длину стержня и его угол отклонения  относительно положения равновесия. Отпустите стержень. Сняв лист копировальной бумаги, определите расстояние l между точкой на столе под шариком в его начальном положении, найденной по отвесу, и отметкой на листе бумаги в месте падения шарика.

4. Измерьте высоту Н шарика над столом в начальном положении. Взвесьте шарик и вычислите изменение его потенциальной энергии DE_pи кинетическую энергию E_кв момент прохождения шариком начального положения (положения равновесия).

5. Повторите опыт при двух других значениях высоты hи сделайте измерения и вычисления. Результаты занесите в таблицу.

6. Оцените абсолютные погрешности измерений потенциальной и кинетической энергии шарика в ваших опытах.

7. Сравните значения изменений потенциальной энергии шарика и его кинетической энергии и сделайте вывод о результатах вашего эксперимента.

Контрольные вопросы

1.Какие потери энергии не учитываются при выполнении данной работы?

2.Как объяснить, что при расчете скорости шарика были использованы уравнение равномерного движения и уравнение равноускоренного движения При каких условиях применим закон сохранения механической энергии?