機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

一、利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器進(jìn)行驗(yàn)證

1．物體做自由落體運(yùn)動(dòng)

一般以重錘從自由落體運(yùn)動(dòng)開始時(shí)刻（紙帶上的第一個(gè)點(diǎn)）到此后的某一適當(dāng)時(shí)刻（紙帶上最后一個(gè)點(diǎn)之前的某點(diǎn)）進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源再釋放紙帶，在打出的紙帶中，選取第一、二點(diǎn)間距最接近2 mm的紙帶進(jìn)行測(cè)量。測(cè)出第0點(diǎn)到第n點(diǎn)的距離L，則可知重錘重力勢(shì)能的減少量；打出這兩點(diǎn)的時(shí)間間隔為t=n/f（f是交流電的頻率），由勻變速直線運(yùn)動(dòng)平均速度的推論、平均速度的定義式及初速為0，可知打第n點(diǎn)時(shí)重錘的瞬時(shí)速度，重錘動(dòng)能的增量。由于要比較是否相等的△Ep與△Ek都是m的倍數(shù)，所以本實(shí)驗(yàn)不需要測(cè)量重錘的質(zhì)量。

2．兩物體系統(tǒng)在豎直方向的勻加速運(yùn)動(dòng)

利用圖2所示實(shí)驗(yàn)裝置，可驗(yàn)證m₁、m₂（m₁<m₂）組成的系統(tǒng)機(jī)械能是否守恒。讓m₂從高處由靜止開始下落，兩物體均做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，m₁拖著的紙帶將被打出一系列的點(diǎn)。若先接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源，然后釋放m₂，測(cè)出紙帶上第0點(diǎn)到第n點(diǎn)的距離L，則可知系統(tǒng)重力勢(shì)能的減少量；打出所研究的兩點(diǎn)的時(shí)間間隔為t=n/f（f是交流電的頻率），打第n點(diǎn)時(shí)的兩物體的瞬時(shí)速度便可求得，則可知系統(tǒng)動(dòng)能的增量。由于要比較是否相等的△Ep與△Ek的表達(dá)式是兩物體質(zhì)量的不同組合，所以本實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量?jī)晌矬w各自的質(zhì)量。

3．小車在滑板上的勻加速運(yùn)動(dòng)

如圖3所示裝置中，測(cè)出小車質(zhì)量M和小桶與沙的總質(zhì)量m，安裝好儀器器材后，使滑板適當(dāng)傾斜以平衡滑動(dòng)摩擦力，平衡掉滑動(dòng)摩擦力以后，就相當(dāng)于不受摩擦力的作用。先接通電源，再釋放小車，從打出的紙帶上，選出兩個(gè)適當(dāng)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量與計(jì)算。以小車、沙桶系統(tǒng)為研究對(duì)象，測(cè)出兩點(diǎn)距離L，則可知系統(tǒng)減少的重力勢(shì)能；利用勻變速直線運(yùn)動(dòng)“一段時(shí)間的中點(diǎn)時(shí)刻的速度等于這段時(shí)間里的平均速度”的推論及平均速度的定義，可算出打出所選的兩點(diǎn)時(shí)小車及沙桶的速度v₁、v₂，即可知系統(tǒng)增加的動(dòng)能。

二、利用光電門進(jìn)行驗(yàn)證

三、利用平拋運(yùn)動(dòng)進(jìn)行驗(yàn)證

四、利用DIS系統(tǒng)驗(yàn)證

機(jī)械能守恒條件是：只有系統(tǒng)內(nèi)的彈力或重力所做的功?！炯春雎阅Σ亮υ斐傻哪芰繐p失,所以機(jī)械能守恒也是一種理想化的物理模型】,而且是系統(tǒng)內(nèi)機(jī)械能守恒。一般做題的時(shí)候好多是機(jī)械能不守恒的，但是可以用能量守恒，比如說把丟失的能量給補(bǔ)回來，

從功能關(guān)系式中的 W_F外=△E_機(jī) 可知：更廣義的機(jī)械能守恒條件應(yīng)是系統(tǒng)外的力所做的功為零。

當(dāng)系統(tǒng)不受外力或所受外力做功之和為零,這個(gè)系統(tǒng)的總動(dòng)量保持不變,叫動(dòng)量守恒定律。

當(dāng)只有動(dòng)能和勢(shì)能（包括重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能）相互轉(zhuǎn)換時(shí)，機(jī)械能才守恒。

機(jī)械能守恒定律區(qū)別聯(lián)系

1、動(dòng)能和動(dòng)量的區(qū)別和聯(lián)系

（1）聯(lián)系：動(dòng)能和動(dòng)量都是描述物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量，都由物體的質(zhì)量和瞬時(shí)速度v決定，物體的動(dòng)能和動(dòng)量的關(guān)系為

（2）區(qū)別：①動(dòng)能是標(biāo)量，動(dòng)量是矢量。動(dòng)能變化只是大小變化，而動(dòng)量變化卻有三種情況：大小變化，方向變化，大小和方向均變化。一個(gè)物體動(dòng)能變化時(shí)動(dòng)量一定變化，而動(dòng)量變化時(shí)動(dòng)能不一定變化。②跟速度的關(guān)系不同：E_k=1/2 mv²，p=mv。③變化的量度不同，動(dòng)能變化的量度是合外力的功，動(dòng)量變化的量度是合外力的沖量。

機(jī)械能守恒定律變力做功

2、用動(dòng)能定理求變力做功

在某些問題中由于力F大小的變化或方向變化，所以不能直接由W=Fs·cosα求出變力F做功的值，此時(shí)可由其做功的結(jié)果——?jiǎng)幽艿淖兓瘉砬笞兞所做的功。

機(jī)械能守恒定律全程考慮

3、用動(dòng)能定理對(duì)全程考慮

在用動(dòng)能定理解題時(shí)，如果物體在某個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中包含有幾個(gè)運(yùn)動(dòng)性質(zhì)不同的分過程（如加速、減速的過程），此時(shí)，可以分段考慮，也可對(duì)全程考慮。如能對(duì)整個(gè)過程列式則可能使問題簡(jiǎn)化。在把各個(gè)力的功代入公式：W₁ W₂ … W_n=1/2 mv_末²－1/2 mv_初²時(shí)，要把它們的數(shù)值連同符號(hào)代入，解題時(shí)要分清各過程中各個(gè)力做功的情況。

機(jī)械能守恒定律定理推論

4、機(jī)械能守恒定律的推論

根據(jù)機(jī)械能守恒定律，當(dāng)重力以外的力不做功，物體（或系統(tǒng)）的機(jī)械能守恒。顯然，當(dāng)重力以外的力做功不為零時(shí)，物體（或系統(tǒng)）的機(jī)械能要發(fā)生改變。重力以外的力做正功，物體（或系統(tǒng)）的機(jī)械能增加，重力以外的力做負(fù)功，物體（或系統(tǒng)）的機(jī)械能減少，且重力以外的力做多少功，物體（或系統(tǒng)）的機(jī)械能就改變多少。即重力以外的力做功的過程，就是機(jī)械能和其他形式的能相互轉(zhuǎn)化的過程，在這一過程中，重力以外的力做的功是機(jī)械能改變的量度，即W_G外=E₂－E₁。

機(jī)械能守恒定律關(guān)系總結(jié)

5、功與能關(guān)系的總結(jié)

做功的過程就是能量轉(zhuǎn)化的過程，功是能量轉(zhuǎn)化的量度。功和能的關(guān)系有以下幾種具體體現(xiàn)：

（1）動(dòng)能定理反映了合外力做的功和動(dòng)能改變的關(guān)系，即合外力做功的過程，是物體的動(dòng)能和其他形式的能量相互轉(zhuǎn)化的過程，合外力所做的功是物體動(dòng)能變化的量度，即W_總=E_k2－E_k1。

（2）重力做功的過程是重力勢(shì)能和其他形式的能量相互轉(zhuǎn)化的過程，重力做的功量度了重力勢(shì)能的變化，即W_G=E_p1－E_p2。

（3）重力以外的力做功的過程是機(jī)械能和其他形式的能轉(zhuǎn)化的過程，重力以外的力做的功量度了機(jī)械能的變化，即W_F外=E₂－E₁

（4）作用于系統(tǒng)的滑動(dòng)摩擦力和系統(tǒng)內(nèi)物體間相對(duì)滑動(dòng)的位移的乘積，在數(shù)值上等于系統(tǒng)內(nèi)能的增量。即“摩擦生熱”：Q=F_滑·s相對(duì)，所以，F(xiàn)_滑·s相對(duì)量度了機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的多少。

可見，靜摩擦力即使對(duì)物體做功，由于相對(duì)位移為零而沒有內(nèi)能產(chǎn)生。

當(dāng)物體在運(yùn)動(dòng)過程中，如果

A_外=0，A_{非內(nèi)保}=0

那么有

△E_機(jī)=E_末-E_初=0 或 E_k0 E_p0=E_k1 E_p1

這就是說，如果一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)只有保守力作功，而其他內(nèi)力和外力都不作功，則運(yùn)動(dòng)過程中系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)間動(dòng)能和勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)換，但他們的總和（即總機(jī)械能）保持不變，這就是質(zhì)點(diǎn)系的機(jī)械能守恒定律。

物體的動(dòng)能和勢(shì)能統(tǒng)稱為機(jī)械能。

E_機(jī)=E_p E_k 或E=E_k E_p E_彈

一個(gè)物體能做功就說這個(gè)物體具有能。

機(jī)械能守恒定律

在只有重力或系統(tǒng)內(nèi)彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，物體的動(dòng)能和勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化，但機(jī)械能保持不變。

其數(shù)學(xué)表達(dá)式可以有以下兩種形式：

過程式：

1.W_G W_Fn=?E_k

2.E_減=E_增 （E_k減=E_p增 、E_p減=E_k增）

狀態(tài)式：

1.E_k1 E_p1=E_k2 E_p2（某時(shí)刻，某位置）

2.1/2mv₁² mgh₁=1/2mv₂² mgh₂[這種形式必須先確定重力勢(shì)能的參考平面]

機(jī)械能守恒定律（law of conservation of mechanical energy）是動(dòng)力學(xué)中的基本定律，即任何物體系統(tǒng)如無外力做功，系統(tǒng)內(nèi)又只有保守力（見勢(shì)能）做功時(shí)，則系統(tǒng)的機(jī)械能（動(dòng)能與勢(shì)能之和）保持不變。外力做功為零，表明沒有從外界輸入機(jī)械功；只有保守力做功，即只有動(dòng)能和勢(shì)能的轉(zhuǎn)化，而無機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他能，符合這兩條件的機(jī)械能守恒對(duì)一切慣性參考系都成立。這個(gè)定律的簡(jiǎn)化說法為：質(zhì)點(diǎn)（或質(zhì)點(diǎn)系）在勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其動(dòng)能和勢(shì)能的和保持不變；或稱物體在重力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)能和勢(shì)能之和不變。這一說法隱含可以忽略不計(jì)產(chǎn)生勢(shì)力場(chǎng)的物體（如地球）的動(dòng)能的變化。這只能在一些特殊的慣性參考系如地球參考系中才成立。如圖1所示，若不考慮一切阻力與能量損失，滾擺只受重力作用，在此理想情況下，重力勢(shì)能與動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化，而機(jī)械能不變，滾擺將不斷上下運(yùn)動(dòng)。

如何區(qū)分機(jī)械能是否改變一

由“機(jī)械能=動(dòng)能 勢(shì)能”判斷：若速度和高度不變，質(zhì)量減小，動(dòng)能減小，重力勢(shì)能減小，機(jī)械能減??；若質(zhì)量和速度不變，高度減小，動(dòng)能不變，重力勢(shì)能減小，機(jī)械能減小。

例1. 直升飛機(jī)在空中勻速下降的過程中，以下說法正確的是：（ ）

A. 直升飛機(jī)的動(dòng)能不變，機(jī)械能也不變；

B. 直升飛機(jī)的重力勢(shì)能減小，機(jī)械能也減?。?

C. 直升飛機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能；

D. 直升飛機(jī)的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。

解析：這道題涉及到?jīng)Q定動(dòng)能、勢(shì)能的因素和機(jī)械能是動(dòng)能和勢(shì)能的總和以及能量轉(zhuǎn)化的知識(shí)。因?yàn)橥患茱w機(jī)來說質(zhì)量不變，勻速運(yùn)動(dòng)的飛機(jī)速度沒有變，所以動(dòng)能沒有變，隨著飛機(jī)的下降，高度減小，重力勢(shì)能減小，由于“機(jī)械能=動(dòng)能 勢(shì)能”，則機(jī)械能減小。故正確答案為B。

外力對(duì)物體做功，也由“機(jī)械能=動(dòng)能 勢(shì)能”來判斷：若質(zhì)量和速度不變，高度增加，動(dòng)能不變，重力勢(shì)能增大，機(jī)械能增大。

例2. 起重機(jī)豎直方向勻速吊起某一重物G，在這一過程中，物體的：（ ）

A. 動(dòng)能增加，重力勢(shì)能減小，機(jī)械能不變；

B. 動(dòng)能不變，重力勢(shì)能增加，機(jī)械能增加；

C. 動(dòng)能減小，重力勢(shì)能增加，機(jī)械能不變；

D. 動(dòng)能減小，重力勢(shì)能不變，機(jī)械能減小。

解析：本題主要考查影響動(dòng)能和勢(shì)能大小的因素，由于起重機(jī)吊物體是沿豎直方向勻速上升，質(zhì)量和速度不變，動(dòng)能不變；但由于起重機(jī)吊起物體，使物體逐漸升高，起重機(jī)克服了物體的重力做功，它的重力勢(shì)能會(huì)越來越大，由于機(jī)械能等于不變的動(dòng)能和增大的重力勢(shì)能之和，故正確答案為B。

在動(dòng)能和勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化的過程中，如果題目中有“光滑”、“自由”、“不計(jì)阻力”等詞語，說明不計(jì)摩擦，則機(jī)械能不變

例3. 一個(gè)小孩從公園光滑的滑梯的頂端滑到底端，對(duì)于機(jī)械能的變化情況，下列說法正確的是（ ）

A.重力勢(shì)能減小，動(dòng)能不變，機(jī)械能減??；

B.重力勢(shì)能減小，動(dòng)能增加，機(jī)械能減??；

C.重力勢(shì)能減小，動(dòng)能增加，機(jī)械能增加；

D.重力勢(shì)能減小，動(dòng)能增加，機(jī)械能不變。

解析：小孩是從“光滑”的滑梯的頂端滑到底端，說明不計(jì)摩擦，則機(jī)械能不變，又因?yàn)槲矬w由“頂端”到“底端”，它的重力勢(shì)能減小了，所以動(dòng)能就增大了。故可判斷正確答案為D。

例4.在動(dòng)能和勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化的過程中，若考慮摩擦，則機(jī)械能減小滾擺運(yùn)動(dòng)過程中，每次上升的高度逐漸降低，對(duì)此以下說法錯(cuò)誤的是：（ ）

A. 滾擺運(yùn)動(dòng)到最高處時(shí)，動(dòng)能為零；

B. 滾擺下落過程中重力勢(shì)能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能；

C. 滾擺運(yùn)動(dòng)過程中克服阻力做功，機(jī)械能不斷的減??；

D. 滾擺運(yùn)動(dòng)過程中重力勢(shì)能不變。

解析：滾擺運(yùn)動(dòng)過程中，在最高點(diǎn)時(shí)，速度等于零，此時(shí)，滾擺的重力勢(shì)能最大，動(dòng)能最??；滾擺在上升的過程中，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能；在下降過程中，由于滾擺要不斷的克服摩擦阻力做功，所以滾擺的機(jī)械能減小，因此，A、B、C都是正確的，故本題答案為D。

可見，對(duì)于判斷機(jī)械能是否變化這一類問題，要緊扣題中的關(guān)鍵字、詞，分析哪些是變量，哪些是不變量，再利用規(guī)律和技巧解題。在解題過程中要認(rèn)真思考總結(jié)，方能達(dá)到舉一反三、觸類旁通的效果。

基礎(chǔ)概念變形

A球用線懸掛在天花板上，且通過彈簧與B球相連，兩球質(zhì)量相等。當(dāng)兩球都靜止時(shí)，將懸線燒斷，下列說法正確的是（ ）

A.線斷瞬間，A球的加速度大于B球的加速度

B.線斷后最初一段時(shí)間里，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和彈性勢(shì)能

C.下落過程中，兩個(gè)小球、彈簧和地球組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒

D.線斷后最初一段時(shí)間里，動(dòng)能的增加大于重力勢(shì)能的減少

解析：ACD都對(duì)。A對(duì)：設(shè)A球在上，B球在下。線斷的瞬間，彈簧長(zhǎng)度“來不及”縮短，B的加速度為“零”。A的加速度為：a=(mg mg)/m=2g。B錯(cuò)：A球向下加速的“加速度變小”，B球向下的“加速度變大”。彈簧的長(zhǎng)度是“變短”的。彈簧的彈性勢(shì)能的“減少”的。C對(duì)：系統(tǒng)只有“重力和彈力做功”，機(jī)械能守恒。D對(duì)：重力勢(shì)能減少，彈性勢(shì)能也減少，它們的和等于增加的動(dòng)能。

高中物理

1.一.力學(xué)/7.機(jī)械能/J.實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律

本微課講解了高中物理必修二第七章第九節(jié)《驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律》的基礎(chǔ)知識(shí)和常見考點(diǎn)。

高中 物理

1.一.力學(xué)/7.機(jī)械能

2.一.力學(xué)/7.機(jī)械能/H.機(jī)械能守恒定律