4、验证机械能守恒

实验仪器：密绕软弹簧、100克钩码、方座支架的铁圈、方座支架(J1102型)、长20厘米的金属棒、直尺

实验目的：用竖直弹簧振子验证在只有重力和弹力做功时，系统的机械能守恒。

实验原理：设弹簧自然长(未挂钩码时弹簧下端的簧头距悬点O的距离)为L₀，弹簧下挂质量为m的钩码后，平衡时弹簧的伸长量为x₀。竖直下拉钩码后放手，让弹簧振子振动，且振动到最高位置时，弹簧长度大于L₀。设振子在最低位置和最高位置时弹簧的伸长量分别为x₁和x₂，则振动中钩码上升的高度为x＝x₁－x₂，且x的中点在平衡位置处。设弹簧的倔强系数(劲度系数)为k，则k=

设钩码在振动最低点时的重力势能为零，则此位置弹簧振子系统的机械能为

E₁= kx₁²

当钩码振动到最高点时，弹簧振子系统的机械能为

E₂=kx₂²+mgx=kx₂²+mg(x₁-x₂)

如果实验测得E₁＝E₂，则弹簧振子在振动中机械能守恒被验证。

教师操作：

(1)把金属杆、金属环Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ按图所示的顺序装在立柱上，把弹簧挂在金属杆上。在未挂上钩码时，调整金属环Ⅰ的位置，使与弹簧下端箭头所指位置等高。

(2)把质量为m的钩码挂在弹簧下端，手拉钩码慢慢下放至平衡位置。测出此时弹簧下端箭头与金属环Ⅰ间的距离x₀。由(1)式求出弹簧的倔强系数k。

(3)调整金属环Ⅲ和Ⅱ的位置，使它们距弹簧下端的箭头(此时它指示平衡位置)等远。作为实验中弹簧振动时，弹簧下端箭头的最低位置和最高位置。竖直下拉钩码，至弹簧下端箭头与金属环Ⅲ处于同一水平面后自由释放，观察在振动中，弹簧下端箭头的最高位置是否与金属环Ⅱ在同一水平面内。若不一致，可稍微移动金属环Ⅱ使之一致，测出环Ⅰ到环Ⅲ的距离x₁和环Ⅰ到环Ⅰ的距离x₂。分别算出E₁和E₂，看它们在实验误差范围内是否相等。

(1)由于振动中机械能会因克服空气阻力做功而损耗，因此在定振动的最高位置时，应以最初几次振动的最大高度为准。

(2)向下拉钩码的距离不可过大，应使得在整个振动过程中弹簧都处于伸长状态，以免弹簧压缩时出现弯曲，破坏振动的稳定性。

3、动能和势能的相互转化

实验仪器：麦克斯韦滚摆(J04423)、弹簧振子、动能势能演示器(J2169)、单摆

教师操作：演示动能和势能的相互转化。

2、弹性势能

实验仪器：动能势能演示器(J2169)

教师操作：用弹簧压缩杆将弹簧压缩，在其上端放进钢球，释放被压缩的钢球，钢球被弹起一定的高度；改变弹簧压缩量，重做上述实验。

实验结论：被压缩产生弹性形变的弹簧具有弹性势能；在弹性限度内，物体发生形变越大，弹性势能越大。

1、重力势能与质量、高度的关系

实验仪器：动能势能演示器(J2169)

教师操作：组装好仪器；将钢球下落定位孔提升到一定的高度，使其中一孔对准下面的透明圆筒，透明圆筒口部放入带布绒的圆柱体；让一钢球从定位孔中竖直下落，钢球撞击带布绒的圆柱体，并使之下滑一段距离；使用不同质量的钢球从不同高度下落重做上面实验。

实验结论：质量越大物体具有的重力势能越大，物体越高，重力势能越大。

2、验证动能定理

实验仪器：电磁打点计时器(J0203型)、学生电源、长方形木块(约10×7×4厘米³)、纸带、天平(学生天平或托盘天平)、带定滑轮的木板(长约1米)、细线、砝码盘、砝码

实验目的：验证在外力作用下物体做加速运动或减速运动时，动能的增量等于合外力所做的功。

实验原理：物体在恒力作用下做直线运动时，动能定理可表述为

F_合s= mv₂²- mv₁²。只要实验测得F_合s 和 m(v₂²-v₁²)在实验误差范围内相等，则动能定理被验证。F_合可以由F_合＝ma求得。

教师操作：

(1)用天平测出木块的质量。把器材按图装置好。纸带固定在木块中间的方孔内。

　(2)把木块放在打点计时器附近，用手按住。往砝码盘中加砝码。接通打点计时器电源，让它工作。放开木块，让它做加速运动。当木块运动到木板长的 左右时，用手托住砝码盘，让木块在阻力作用下做减速运动。当木块到达定滑轮处(或静止)时，断开电源。

　(3)取下纸带，在纸带上反映物体加速运动和减速运动的两部分点迹中较理想的一段，分别各取两点(其间点迹数不少于9点)。量出S_A、S_B、S_C、S_D和S_AB、S_CD。由S_A、S_B、S_C、S_D及相应的时间间隔(图中为0.08秒)。算出V_A、V_B、V_C、V_D，利用V_A、V_B和A、B间的时间间隔求出A、B间木块运动的加速度a_AB；同法求出a_CD。则木块质量m与a_AB、a_CD的乘积分别表示在AB段和CD段木块受的合力。

(4)根据实验结果填好下表，看F_合S与ΔE_k是否相等。

(5)重新取计数点，重复步骤(3)和(4)，再验证一次。

机械能守恒定律

1、动能与速度、质量的关系

实验仪器：动能势能演示器(J2169)

动能势能演示器：

教师操作：组装好仪器；将钢球挂于悬线上使之偏离竖直平面，释放钢球，让其做单摆运动，钢球运动到最低点时，速度最大，将滑块放于滑槽起始端，滑块将被钢球撞击并滑行一段位移；更换不同质量的钢球和从不同高度释放钢球，重复上述实验。

实验结论：质量越大物体具有的动能越大，运动速度越大，动能越大。

7、离心现象的应用

实验仪器：手摇离心转台(J04229)、离心机械模型(J2132)

教师操作：离心干燥器--把离心干燥器支轴固定在手摇离心转台上的轴套里；打开透明塑料外桶上盖，把浸过水的海绵放进离心干燥器的内桶里，盖上桶盖；手摇摇把，约2-3分钟，可观察到离心干燥器的透明外桶上飞散有水珠，取出海绵，手感可知已经干了。

教师操作：离心分离器--把离心分离器的支轴插入手摇离心转台的轴套里；把撒入细土粒或细粉的混浊水装在离心分离器的两个离心管内；手摇摇把，约2-3分钟，可观察到水中细粒沉淀在离心管的底部，上面水清澈透明。

动能 动能定理

6、离心现象

实验仪器：白硬纸片、火柴(学生自备)、墨水(教师准备)

学生游戏：

拿一块光滑的白色硬纸板剪成圆形，中间插一根削尖了的火柴梗，就可以做成一个陀螺，像图所画的是它的实际大小。要使这个陀螺旋转，并不需要特别的技巧，只要把火柴梗的上部夹在大拇指和食指之间，把它拧转以后，很快丢到平滑的面上，就可以了。 　　　　　　　　　

现在，你可以利用这个陀螺做一个很有意义的实验。在使它旋转之前，在那圆纸片上先滴几小滴墨水。接着，不等墨水干燥，立刻把陀螺拧转。等它停下来以后，再看看那些墨水滴：每一滴墨水已经画成一条螺旋线，而这些墨水滴画出的螺旋线合起来看，就像旋风的模样。

像旋风的模样倒并不是偶然的。你知道这圆纸片上的螺旋线表示了些什么吗?这其实是墨水滴移动的轨迹。每一滴墨水在旋转的时候受到的作用，跟坐在“魔盘”上的人受到的完全一样。这些墨水滴在离心作用下离开了中心向边上移动，在边上纸片的转速比墨水滴本身的要大了许多。

在这些地方，这圆纸片仿佛从墨水滴底下悄悄地溜了过去，跑到了它们的前面。结果每一滴墨水仿佛都落到了圆纸片的后面，退到它的半径后面似的。它的路线正因了这个缘故才显出弯曲的形状──使我们在纸片上看到了曲线运动的轨迹。

从高气压地方向外流动的空气流(就是所谓“反气旋”)或流向低气压的空气流(就是所谓“气旋”)所受到的作用也完全相同。因此，墨水滴画成的螺旋线实在可以说是真正旋风的缩影。

5、车转弯

实验仪器：火车轮模型(用泡沫、直杆自制)

4、竖直面内的圆周运动

实验仪器：小桶、水、细绳

教师操作：小桶内装满水，拴上细绳，在竖直面内作圆周运动，当速度足够快时，水不潵出。

实验结论：水不潵出的临界条件是v= 。

类比分析：固定小球的杆在竖直平面内作圆周运动，杆不受力的临界条件。