高中物理

1.一.力学/7.机械能/J.实验：验证机械能守恒定律

本微课讲解了高中物理必修二第七章第九节《验证机械能守恒定律》的基础知识和常见考点。

一、利用打点计时器进行验证

1．物体做自由落体运动

一般以重锤从自由落体运动开始时刻（纸带上的第一个点）到此后的某一适当时刻（纸带上最后一个点之前的某点）进行研究。实验时，先接通打点计时器电源再释放纸带，在打出的纸带中，选取第一、二点间距最接近2 mm的纸带进行测量。测出第0点到第n点的距离L，则可知重锤重力势能的减少量；打出这两点的时间间隔为t=n/f（f是交流电的频率），由匀变速直线运动平均速度的推论、平均速度的定义式及初速为0，可知打第n点时重锤的瞬时速度，重锤动能的增量。由于要比较是否相等的△Ep与△Ek都是m的倍数，所以本实验不需要测量重锤的质量。

2．两物体系统在竖直方向的匀加速运动

利用图2所示实验装置，可验证m₁、m₂（m₁<m₂）组成的系统机械能是否守恒。让m₂从高处由静止开始下落，两物体均做匀加速直线运动，m₁拖着的纸带将被打出一系列的点。若先接通打点计时器电源，然后释放m₂，测出纸带上第0点到第n点的距离L，则可知系统重力势能的减少量；打出所研究的两点的时间间隔为t=n/f（f是交流电的频率），打第n点时的两物体的瞬时速度便可求得，则可知系统动能的增量。由于要比较是否相等的△Ep与△Ek的表达式是两物体质量的不同组合，所以本实验需要测量两物体各自的质量。

3．小车在滑板上的匀加速运动

如图3所示装置中，测出小车质量M和小桶与沙的总质量m，安装好仪器器材后，使滑板适当倾斜以平衡滑动摩擦力，平衡掉滑动摩擦力以后，就相当于不受摩擦力的作用。先接通电源，再释放小车，从打出的纸带上，选出两个适当点进行测量与计算。以小车、沙桶系统为研究对象，测出两点距离L，则可知系统减少的重力势能；利用匀变速直线运动“一段时间的中点时刻的速度等于这段时间里的平均速度”的推论及平均速度的定义，可算出打出所选的两点时小车及沙桶的速度v₁、v₂，即可知系统增加的动能。

二、利用光电门进行验证

三、利用平抛运动进行验证

四、利用DIS系统验证

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热力实验方法

在一个用保鲜膜封闭的透明玻璃箱内，一边放冰块，一边放沙子，当把一支点燃的香放入冰块一侧时，就能明显的看到烟在箱内进行循环流动。（沙子最好预先在阳光下晒段时间，这样效果更明显。）

热力观察实验

方法1实验器材：长方形的玻

热力环流实验

璃缸（长100厘米左右，宽3

0左右，高40厘米左右）、胶合板或塑料薄膜、一盆热水、一盆冰块、一束香、火柴等。

实验步骤：①将一盆热水

和一盆冰块分别放置在玻璃缸的两端；

②用平整的胶合板或塑料薄膜将玻璃缸上部开口处盖严；

③在胶合板或塑料薄膜的一侧（装冰块的盆上方）开一个小洞；

④将一束香点燃，放进小洞内。

学生观察烟雾在玻璃缸内是如何飘动的，能否发现什么规律"para" label-module="para">

方法2：关闭教室的门窗，尽量保持教室的气流稳定。点燃两根较粗的香，两支香摆放的距离大约在30～40厘米左右，一支香旁边放一个1000瓦的电热炉、另一支香旁边放一个较大的冰块，将电炉通电5分钟后，让学生观察卫生香烟的飘动方向。将电炉和冰块交换位置，观察烟的飘移方向。

在这个实验中，电炉上方空气加热，气压降低；冰块上方空气冷却，气压升高。香的烟总是飘向电炉上方，说明热的地方近地面产生低气压，气流从冷的地方流向热的地方，而高空气流则由热的上空流向冷的上空。

欧姆第一阶段的实验是探讨电流产生的电磁力的衰减与导线长度的关系，其结果于1825年5月在他的第一篇科学论文中发表。在这个实验中，他碰到了测量电流强度的困难。在德国科学家施威格发明的检流计启发下，他把奥斯特关于电流磁效应的发现和库仑扭秤方法巧妙地结合起来，设计了一个电流扭力秤，用它测量电流强度。欧姆从初步的实验中发出，电流的电磁力与导体的长度有关。其关系式与今天的欧姆定律表示式之间看不出有什么直接联系。欧姆在当时也没有把电势差（或电动势）、电流强度和电阻三个量联系起来。

在欧姆之前，虽然还没有电阻的概念，但是已经有人对金属的电

导率（传导率）进行研究。欧姆很努力，1825年7月，欧姆也用上述初步实验中所用的装置，研究了金属的相对电导率。他把各种金属制成直径相同的导线进行测量，确定了金、银、锌、黄铜、铁等金属的相对电导率。虽然这个实验较为粗糙，而且有不少错误，但欧姆想到，在整条导线中电流不变的事实表明电流强度可以作为电路的一个重要基本量，他决定在下一次实验中把它当作一个主要观测量来研究。

在以前的实验中，欧姆使用的电池组是伏打电堆，这种电堆的电动势不稳定，使他大为头痛。后来经人建议，改用铋铜温差电偶作电源，从而保证了电源电动势的稳定。

1826年，欧姆用上面图6中的实验装置导出了他的定律。在木质座架上装有电流扭力秤，DD'是扭力秤的玻璃罩，CC'是刻度盘，s是观察用的放大镜，m和m'为水银杯，abb'a'为铋框架，铋、铜框架的一条腿相互接触，这样就组成了温差电偶。A、B是两个用来产生温差的锡容器。实验时把待研究的导体插在m和m'两个盛水银的杯子中，m和m'成了温差电池的两个极。

欧姆准备了截面相同但长度不同的导体，依次将各个导体接入电路进行实验，观测扭力拖拉磁针偏转角的大小，然后改变条件反复操作，根据实验数据归纳成下关系：

x=q/(b l)式中x表示流过导线的电流的大小，它与电流强度成正比，A和B为电路的两个参数，L表示实验导线的长度。

1826年4月欧姆发表论文，把欧姆定律改写为：x=ksa/ls为导线的横截面积，K表示电导率，A为导线两端的电势差，L为导线的长度，X表示通过L的电流强度。如果用电阻l'=l/ks代入上式，就得到X=a/I'这就是欧姆定律的定量表达式，即电路中的电流强度和电势差成正比而与电阻成反比。