Виртуальная лабораторная работа по физике №6

Проверка закона сохранения механической энергии

Цель работы: Экспериментально проверить справедливость закона сохранения механической энергии при движении тела по наклонной и горизонтальной поверхностям.

Оборудование (виртуальное):

• Компьютерная модель "Проверка закона сохранения механической энергии" (efizika.ru).

• Цифровые измерительные инструменты (встроенные в модель): линейка, транспортир, весы.

• Тела разной массы.

• Модели белой и копировальной бумаги для отметки точки падения.

Теоретическая часть

Закон сохранения механической энергии: В замкнутой системе, где действуют только консервативные силы (сила тяжести, сила упругости), полная механическая энергия системы остается постоянной.

E_кин1 + E_пот1 = E_кин2 + E_пот2

где:

• E_кин = (m * v^2) / 2 — кинетическая энергия тела,

• E_пот = m * g * h — потенциальная энергия тела, поднятого над Землей.

В нашей работе:

1. Тело скатывается по наклонному желобу. Его потенциальная энергия в верхней точке (m*g*h) преобразуется в кинетическую энергию в нижней точке ((m*v^2)/2).

2. Достигнув конца желоба, тело продолжает движение по горизонтали с постоянной скоростью v, приобретенной в конце спуска. Это движение является инерционным.

3. Измерив высоту спуска h и дальность полета S при горизонтальном движении, мы можем рассчитать начальную скорость v и проверить выполнение закона сохранения энергии.

Расчетные формулы:

• Скорость тела в конце наклонного желоба (из кинематики горизонтального броска):
  v = S * sqrt( g / (2 * H) )
  где S — дальность полета по горизонтали, H — высота горизонтального участка над столом, g — ускорение свободного падения.

• Рассчитанная кинетическая энергия в конце спуска:
  E_кин (расч) = (m * v^2) / 2 = (m * (S^2 * g)) / (2 * 2 * H) = (m * g * S^2) / (4 * H)

• Измеренная потенциальная энергия в начале спуска:
  E_пот (изм) = m * g * h
  где h — высота, с которой скатывается тело.

• Проверка закона: Если E_пот (изм) ≈ E_кин (расч), то закон сохранения механической энергии выполняется.

Ход работы

1. Подготовка эксперимента.

• Откройте виртуальную лабораторию по ссылке.

• Изучите интерфейс: желоб, штатив, линейки, место для установки копировальной бумаги.

• Установите высоту горизонтального участка над столом H. Запишите это значение.

  H = ______ м (например, 0.8 м)

2. Проведение измерений для тела №1.

• Выберите тело и измерьте его массу m с помощью виртуальных весов.

  m1 = ______ кг

• Установите начальную высоту спуска h1 (например, 0.2 м). Измерьте ее с помощью линейки.

• Проведите виртуальный эксперимент: отпустите тело. Оно скатится по желобу и, упав на стол, оставит отметку.

• Измерьте дальность полета S1 — расстояние от основания штатива до отметки от тела.

• Повторите эксперимент для той же высоты h1 еще 2 раза для усреднения результата. Результаты занесите в таблицу.

3. Проведение измерений для тела №1 при другой высоте.

• Измените высоту спуска (h2 = 0.3 м).

• Повторите пункт 2 для новой высоты.

4. Проведение измерений для тела №2 (другой массы).

• Смените тело на более тяжелое или легкое. Измерьте его массу m2.

• Проведите серию экспериментов для двух разных высот h3 и h4 (например, 0.25 м и 0.35 м).

Таблица измерений и расчетов

*Примечание: g ≈ 9.8 м/с²*

Анализ результатов и вывод

1. Расчеты: Для каждой серии экспериментов (для каждого значения высоты) рассчитайте:

   • Среднее значение дальности полета S_ср.

   • Потенциальную энергию E_пот = m * g * h.

   • Кинетическую энергию E_кин = (m * g * (S_ср)^2) / (4 * H).

   • Относительную погрешность между E_пот и E_кин по формуле:
     δ = ( |E_пот - E_кин| / E_пот ) * 100%

2. Сравнение: Сравните полученные значения потенциальной энергии в начале движения и кинетической энергии в конце для всех опытов. Сделайте это в качественной форме: "Значения E_пот и E_кин для всех опытов совпали с точностью до погрешности измерений" или "Значения E_пот и E_кин примерно равны".

3. Вывод:

   • Сформулируйте, выполняется ли в рамках данной виртуальной лаборатории закон сохранения механической энергии.

   • Укажите, как масса тела и высота спуска влияют на выполнение закона. (Например: "В ходе работы установлено, что закон сохранения механической энергии выполняется: потенциальная энергия тела в начале движения переходит в его кинетическую энергию в конце. При этом масса тела не влияет на выполнение закона, так как она сокращается в уравнениях, а увеличение высоты спуска приводит к пропорциональному увеличению как потенциальной, так и кинетической энергии").

   • Укажите возможные источники погрешностей в виртуальном эксперименте (например, неточность определения точки падения, идеализация модели (отсутствие трения)).