機(jī)械能守恒定律告訴我們，在只有重力或彈力做功的系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能與勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化時(shí)總的機(jī)械能保持不變。下面我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)能與重力勢(shì)能的變化，從而驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。
機(jī)械能守恒的前提是“只有重力或彈力做功”，因此研究過(guò)程一定要滿足這一條件。想一想，滿足這一條件的過(guò)程有哪些?
自由下落的物體只受到重力作用，滿足機(jī)械能守恒的條件物體沿光滑斜面下滑時(shí)，雖然受到重力和斜面的支持力，但支持力與物體位移方向垂直(圖8.5-1)對(duì)物體不做功，這種情況也滿足機(jī)械能守恒的條件。
用細(xì)線懸掛的小球擺動(dòng)時(shí)，細(xì)線的拉力與小球的運(yùn)動(dòng)方向垂直，對(duì)物體不做功。如果忽略空氣阻力，這個(gè)過(guò)程中只有重力做功，也滿足機(jī)械能守恒的條件。
你也可以考慮其他情形來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)還應(yīng)考慮:重物下落或小球擺動(dòng)時(shí)會(huì)受空氣阻力的作用，斜面也會(huì)有阻力，有哪些方法可以減小阻力的影響?
研究對(duì)象確定后，還需要明確所需測(cè)量的物理量和實(shí)驗(yàn)器材。根據(jù)重力勢(shì)能和動(dòng)能的定義，很自然地想到，需要測(cè)量物體的質(zhì)量、物體所處位置的高度以及物體的運(yùn)動(dòng)速度這三個(gè)物理量。
根據(jù)選定的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)相應(yīng)的表格記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算物體在選定位置上動(dòng)能與勢(shì)能的和是否滿足。也可以計(jì)算重物在某兩點(diǎn)間的動(dòng)能變化和勢(shì)能變化是否滿足
本實(shí)驗(yàn)我們提供物體做自由落體運(yùn)動(dòng)及沿光滑斜面下滑這兩種方案。
研究自由下落物體的機(jī)械能實(shí)驗(yàn)裝置如圖8.5-2所示。利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄重物自由下落的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。
物體的質(zhì)量可以用天平測(cè)出。紙帶上某兩點(diǎn)的距離等于物體下落的高度差△h，這樣就能得到物體下落過(guò)程中重力勢(shì)能的變化。
物體的瞬時(shí)速度可以用大家熟悉的方法從紙帶測(cè)出，從而得到它在各點(diǎn)的動(dòng)能。比較重物在某兩點(diǎn)間動(dòng)能的變化與重力勢(shì)能的變化就能驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒。
實(shí)驗(yàn)中需要注意的問(wèn)題：1.重物下落過(guò)程中，除了重力外會(huì)受到哪些阻力?怎樣減少這些阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響?2.重物下落時(shí)，最好選擇哪兩個(gè)位置作為過(guò)程的開始和結(jié)束的位置?
自由落體運(yùn)動(dòng)是勻變速直線運(yùn)動(dòng)。因此，也可以用一種更簡(jiǎn)單、更準(zhǔn)確的方法測(cè)量物體下落時(shí)的瞬時(shí)速度。如圖8.5-3，A、B、C是記錄做勻加速直線運(yùn)動(dòng)物體的紙帶上相鄰的三個(gè)點(diǎn)。
根據(jù)學(xué)過(guò)的勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律可知，物體某段時(shí)間中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度等于這段時(shí)間內(nèi)的平均速度，即
研究沿斜面下滑物體的機(jī)械能本案例中，我們利用氣墊導(dǎo)軌和數(shù)字計(jì)時(shí)器記錄物體沿光滑斜面下潛的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。
氣墊導(dǎo)軌上有很多小孔，氣泵送來(lái)的壓縮空氣從小孔噴出，使滑塊與導(dǎo)軌之間有一層薄薄的空氣層，兩者不會(huì)直接接觸。這樣，滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力很小，實(shí)驗(yàn)的精確度能大大提高。
計(jì)時(shí)系統(tǒng)的工作要借助于光源和光敏管(統(tǒng)稱光電門 )。光源與光敏管相對(duì)，它射出的光使光敏管感光。當(dāng)滑塊經(jīng)過(guò)時(shí)，其上的遮光條把光遮住，與光敏管相連的電子電路自動(dòng)記錄遮光時(shí)間，通過(guò)數(shù)碼屏顯示出來(lái)。
根據(jù)遮光條的寬度和遮光時(shí)間，可以算出滑塊經(jīng)過(guò)時(shí)的速度。因?yàn)檫@樣的計(jì)時(shí)系統(tǒng)可以測(cè)出0.001 的時(shí)間，并且能直接以數(shù)字顯示，所以又叫數(shù)字毫秒計(jì)。
實(shí)驗(yàn)裝置如圖8.5-4所示。實(shí)驗(yàn)操作中，把氣墊導(dǎo)軌調(diào)成傾斜狀態(tài)，滑決沿傾斜的氣墊導(dǎo)軌下滑時(shí)，重力勢(shì)能減小，動(dòng)能增大。測(cè)量滑決和遮光條的質(zhì)量，用光電門測(cè)量滑塊的瞬時(shí)速度。測(cè)量滑塊下降的高度△h和初、末速度v1、 v2 ，就可以驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒。
1.利用圖8.5-2的裝置做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)。(1) 除帶夾子的重物、紙帶、鐵架臺(tái)(含鐵夾)、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、導(dǎo)線及開關(guān)外，在下列器材中，還必須使用的器材是____________。A.交流電源 B.刻度尺 C.天平(含砝碼)
(2)實(shí)驗(yàn)中，先樓道電源，再釋放重物，得到圖8.5-5所示的一條紙帶。在級(jí)帶上選取三個(gè)連續(xù)打出的點(diǎn)A、B、C，測(cè)得它們到起始點(diǎn)0的距離分別為hA 、 hB 、 hC
己知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)的周期為T。設(shè)重物的質(zhì)量為m，從打O點(diǎn)到打B點(diǎn)的過(guò)程中，重物的重力勢(shì)能變化了多少? 動(dòng)能變化了多少?(3)很多實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，重力勢(shì)能的減少量略大于動(dòng)能的增加量，你認(rèn)為原因是什么?
2.圖8.5-6為一種利用氣墊導(dǎo)軌“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)臉裝置。主要實(shí)驗(yàn)步驟如下:A.將氣墊導(dǎo)軌放在水平桌面上，將導(dǎo)軌調(diào)至水平。B.測(cè)出誕光條的寬度d。C.將滑塊移至圖示位置，測(cè)出追光條到光電門的距離lD.釋放滑塊，讀出遮光條道過(guò)光電門的逸光時(shí)間t。E.用天平稱出托盤和砝碼的總質(zhì)量m
回答下列問(wèn)題(1)在滑塊從靜止釋放到運(yùn)動(dòng)到光電門的過(guò)程中，系統(tǒng)的重力勢(shì)能減少了多少?(2)為驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，還需要測(cè)量哪個(gè)物理量?
(3)若要符合機(jī)械能守恒定律的結(jié)論，以上測(cè)得的物理量應(yīng)該滿足怎樣的關(guān)系?

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