機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)的探究性思考

1、機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)的探究性思考陶兆寶（本文發(fā)表于物理教學(xué) 2009年第6期） 尋找物理量的守恒是研究物理的一種重要方法，通過尋找守恒量可以使問題的解決大為簡化，通過從不同角度探究、驗(yàn)證機(jī)械能守恒，可使我們對(duì)尋找守恒量的思想和方法有更深的體會(huì)，本人對(duì)探究機(jī)械能守恒的幾種不同思想有些體會(huì)，愿與讀者進(jìn)行交流。一、利用自由落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒利用落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒是一種最簡單的方法，利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間和位移，可以算出下落高度對(duì)應(yīng)的重力勢能和動(dòng)能的變化量，探究落體運(yùn)動(dòng)中的機(jī)械能是否守恒。為了探究自由落體機(jī)械能是否守恒，如圖1-1，取質(zhì)量m=1千克的物體自由下落，得到如圖1-2所示的紙帶，其中所選的紙

2、帶中所打的第一、第二點(diǎn)間的距離在約是2mm，相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)時(shí)間間隔取0.04s，實(shí)驗(yàn)中由于下落速度增大，相同時(shí)間通過的位移變大，所以左端O與重物相連，B的速度為AC的平均速度，物體從O到B的重力勢能減小為，動(dòng)能的增大為，在誤差范圍內(nèi)，重物下落過程中機(jī)械能守恒,產(chǎn)生誤差的主要原因?yàn)橹劐N下落過程中受到阻力（空氣阻力、紙帶與限位孔間的摩擦力）的作用。 如果打第一、二點(diǎn)的間距不是約2mm，或者前面的點(diǎn)由于距離太小模糊不清，用后面的點(diǎn)也可探究機(jī)械能是否守恒，對(duì)從B到C的過程研究，物體在C的速度為，C點(diǎn)的動(dòng)能為，動(dòng)能增大為0.87J，從B到C重力勢能減小為，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，相對(duì)誤差為，雖然兩點(diǎn)取得較近，仍在誤差

3、范圍內(nèi)符合機(jī)械守恒的規(guī)律。 另外可以用蘸有顏料的毛筆固定在馬達(dá)上并隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，使之替代打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，如圖2（a）所示，將包有白紙的圓柱棒總質(zhì)量為m替代紙帶和重物。當(dāng)燒斷掛圓柱的線后，圓柱棒豎直自由落下，毛筆就在圓柱棒面上的紙上畫出記號(hào)，如圖2(b)所示。測得記號(hào)之間的距離依次為26 mm、42mm、58mm、74mm、90mm、106mm，已知馬達(dá)銘牌上有“1500rmin”字樣，由此驗(yàn)證機(jī)械能守恒。毛筆畫的線距時(shí)間間隔T0.04s ，根據(jù)圖中所給數(shù)據(jù)，可知毛筆畫下記號(hào)C時(shí)，圓柱棒下落速度vC1.25m/s ，畫下記號(hào)D時(shí)，圓柱棒下落速度vD1.65m/s ，動(dòng)能的增加量為0.58mJ ，在這段位

4、移上，圓柱棒重力勢能的減少量為0.57mJ ，由此可得出結(jié)論為物體在自由下落過程中機(jī)械能守恒。二、利用略有傾斜的氣墊導(dǎo)軌結(jié)合光電門進(jìn)行探究。 光電計(jì)時(shí)器和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器一樣也是一種研究物體運(yùn)動(dòng)情況的常用計(jì)時(shí)儀器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，a、b分別是光電門的激光發(fā)射和接收裝置，當(dāng)有物體從a、b間通過時(shí)，光電計(jì)時(shí)器就可以較精確的顯示物體的擋光時(shí)間，測出擋光板的寬度，可以算出在1、2兩點(diǎn)的速度，由于氣墊導(dǎo)軌中的滑塊受到的阻力很小，可認(rèn)為只有重力做功，實(shí)驗(yàn)中用游標(biāo)卡尺測出滑塊的寬度d，光電門記錄滑塊通過1的時(shí)為t1，滑塊通過光電門2的時(shí)間為t2，用米尺測出兩個(gè)光電門之間的距離L，P點(diǎn)到桌面高度h；重錘在桌面上所

5、指的點(diǎn)與Q點(diǎn)的距離a，已知當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間，重力勢能的減小量為，動(dòng)能的增加量為，改變角度可以進(jìn)行多次驗(yàn)證，該實(shí)驗(yàn)由于氣墊導(dǎo)軌有一定的阻力，。三、利用帶滑輪的滑板驗(yàn)證機(jī)械守恒。1,3,5如圖4所示的裝置中，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器連接著學(xué)生電源、導(dǎo)線、復(fù)寫紙、紙帶、小車、細(xì)沙，還有天平和刻度尺。當(dāng)小車連接上紙帶，調(diào)節(jié)滑板傾角，使小車拖著紙帶勻速運(yùn)動(dòng)，將摩擦力平衡，則小車的重力做功與小車的摩擦力做總功為零，從小車和小沙桶系統(tǒng)看，只有小沙桶重力做功，用天平稱量小車的質(zhì)量M，往沙桶中裝入適量的細(xì)沙，用天平稱出此時(shí)沙和沙桶的總質(zhì)量m，讓沙桶帶動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)，用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄其運(yùn)動(dòng)情況，在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶上取兩點(diǎn)，利用紙帶測出這兩點(diǎn)的間距L和這兩點(diǎn)的速度大小v1與v2（v1< v2），則，該實(shí)驗(yàn)方法只要摩擦力平衡好，理論上是沒有系統(tǒng)誤差。四、利用斜槽軌道驗(yàn)證機(jī)械能守恒。利用如圖5所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律弧形軌道末端水平，離地面的高度為H，將鋼球從軌道的不同高度H處靜止釋放，鋼球的落點(diǎn)距軌道末端的水平距離為s，小球和軌道間的阻力很小，小球從斜槽上端落到斜槽底端重力勢能的減小量為，到斜槽底端的動(dòng)能可用平拋規(guī)律間接測量，只要證明則可證明小球在斜槽上下落機(jī)械