Лабораторная работа по физике 10 класс «Изучение закона сохранения механической энергии» сравнивает потенциальную энергию тела в начале движения с кинетической в конце. Ты измеряешь высоту, массу и скорость, считаешь E_п = m·g·h и E_к = m·v²/2 и объясняешь, куда делась разница. Скорость здесь нужно именно измерить: если взять её из формулы, проверка теряет смысл.
Номер в учебнике. Набор опытов (скатывание тела с наклонной плоскости, груз на пружине) зависит от издания и учителя, поэтому ищи работу по названию.
Цель и приборы
Цель: проверить, что в отсутствие трения механическая энергия сохраняется: потенциальная энергия переходит в кинетическую, а разница уходит на преодоление трения.
Приборы: тележка или брусок, наклонный жёлоб или направляющая, линейка, весы, секундомер или датчики для измерения скорости.
Осторожно с шариком. Если по жёлобу катится шарик, часть энергии уходит на его вращение: у сплошного шарика это около 2/7, почти 30 % от m·g·h. Тогда m·v²/2 внизу выйдет заметно меньше m·g·h даже без трения, и вывод «всё съело трение» будет неверным. Если в твоём наборе шарик, так и напиши в выводе: разница — это вращение плюс трение.
В нашей установке «Горка и петля» ползунками задаёшь высоту старта h от 2 до 12 м и радиус петли R от 1 до 4 м, а справа три столбика энергии: E_п, E_к и тепло Q. В «Ещё» можно включить трение с μ от 0,01 до 0,1.
Ход работы
- Измерь массу тела m и высоту старта h над нижней точкой.
- Пусти тело с высоты h и измерь скорость v в нижней точке (по времени прохождения известного отрезка).
- Вычисли E_п = m·g·h (вверху) и E_к = m·v²/2 (внизу).
- Найди разность ΔE = E_п − E_к и её долю от E_п.
- Повтори для двух-трёх высот.
- Запиши вывод и объясни, куда ушла энергия.
Таблица измерений
Шаблон для тетради. g = 9,8 м/с² (или 10 м/с² по указанию учителя).
| Опыт | m, кг | h, м | v, м/с | E_п = m·g·h, Дж | E_к = m·v²/2, Дж | ΔE = E_п − E_к, Дж | ΔE / E_п, % |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | |||||||
| 2 | |||||||
| 3 |
ΔE положительна: часть энергии уходит в тепло из-за трения и сопротивления воздуха, а у катящегося шарика ещё и во вращение.
Как оформить вывод
Образец (числа придуманы для иллюстрации, g = 10 м/с²): «m = 0,20 кг, h = 0,50 м, v = 3,0 м/с. E_п = 0,20·10·0,50 = 1,0 Дж, E_к = 0,20·3,0²/2 = 0,90 Дж. Разность 0,10 Дж, то есть 10 % от E_п. Вывод: кинетическая энергия внизу чуть меньше потенциальной вверху; разность объясняется работой силы трения и сопротивлением воздуха, а в идеальном случае без потерь E_п = E_к, механическая энергия сохраняется.»
Шаблон: «E_п = … Дж, E_к = … Дж, ΔE = … Дж, это … % . Разница объясняется … . Вывод: в пределах погрешности механическая энергия … .»
Где ошибаются
- Скорость берут из формулы v = √(2gh). Тогда сохранение подставлено в расчёт, а не проверено. Скорость нужно измерять.
- Путают высоту и длину пути. В E_п идёт вертикальная высота.
- Забывают перевести единицы. Масса в килограммах, высота в метрах, иначе Дж не получатся.
- Ждут точного равенства. Из-за трения E_к всегда немного меньше E_п.
- Не называют причину потерь. В выводе нужно слово «трение» или «сопротивление воздуха».
Шпаргалка за 30 секунд
Потенциальная энергия
- Формула
- E_п = m·g·h
- Ловушка
- высота не по вертикали
Кинетическая энергия
- Формула
- E_к = m·v²/2
- Ловушка
- забыть возвести v в квадрат
Сохранение
- Формула
- E_п + E_к = const без трения
- Ловушка
- ждать равенства при трении
В установке мёртвая петля проходится, если h не меньше 2,5·R: при R = 2 м нужно h не менее 5 м.
Типичная ошибка в выводе: написать «энергия исчезла». Она перешла в тепло.
Контрольные вопросы
- Что говорит закон сохранения механической энергии? Если нет трения и других потерь, сумма потенциальной и кинетической энергий тела не меняется.
- Куда уходит часть энергии при трении? Во внутреннюю энергию: нагревает тела и среду.
- Как найти потенциальную энергию тела над землёй? E_п = m·g·h.
- Как зависит кинетическая энергия от скорости? Пропорционально квадрату скорости: E_к = m·v²/2.
- Почему тележка может оторваться от петли? Если высота старта h меньше 2,5·R, скорости в верхней точке не хватает, чтобы остаться на рельсе.
Следующий шаг: открой установку «Горка и петля», найди высоту, при которой тележка проходит петлю, и включи трение. Следующая по списку работа 10 класса — последовательное и параллельное соединение. Если ΔE у тебя вышла отрицательной, то есть внизу энергии больше, чем было вверху, ошибка почти наверняка в измерении скорости; её можно разобрать на пробном занятии по физике.