国外实验介绍——能量的转化和守恒.doc

国外实验介绍能量的转化和守恒物体由于运动而具有的能量叫动能，Ek=mv2/2。物体之间由于相对位置而具有的能量叫势能。物体的重力势能Ep=mgh，弹性势能Ep=kx2/2，电势能=qUAB。物体的动能和机械势能之和叫机械能，机械能的变化等于外力和耗散内力对物体所做功的代数和。当耗散内力和外力做功为零时，机械能守恒。系统内所有分子的动能与分子间的势能之和叫内能，内能的变化等于变化过程中做功与传递热量的和。电场、磁场的能量是指场本身的能量，而不是指电荷、带电体或电流的能量。实验一 荡秋千【实验目的】研究机械能的转化与守恒。【实验内容与现象】观察正在荡秋千的孩子，他在两边升起的高度总是相同的。如果将秋千推到一个新的高度，就可以验证这个结论。这说明秋千和上面的人在两个最高点的势能是相等的。坐在秋千上，你能够确切地体会到在到达最高点的那一瞬间有静止的感觉，随后速度变得越来越快。要是在手里捏住手帕的一角，观察手帕从最高点下落过程中飘动的角度，可以证明到最低点时速度最大。这就是说，在最高点人和秋千的动能为零，只有重力势能；而在最低点则动能最大，势能可以视为零。当秋千到达另一边的同一高度时，动能又完全变成了势能。那么，在秋千的势能和动能的相互转化中能量没有损失。实验二 自由下落的球【实验目的】观察机械能的转化和损耗。【实验内容和要求】1、反弹的球用手拿住一个弹性很好的球（如乒乓球或气足的篮球），注意此刻球的高度。自然地松开手使球从静止下落，并注意观察球落到水泥地面后跳了几次，每次到达的高度与最初下落高度的关系。将这个实验重复做几次，看到底有没有一次反弹能比最初还高？到沙地上重做这个实验，井注意观察沙子形状的变化。将水泥地和沙地的实验现象和结论做一个比较。然后思考和讨论三个问题：在水泥地上，球从最初下落到第一次反弹至最高点的过程中，机械能是怎样变化的？反弹的高度为什么只能等于或小于最初的高度？在沙地上反弹球的实验中，能量是怎么变化的？能量还守恒吗？2、落入汽车轮胎内的高尔夫球参看图9.2.2.将一个汽车的外胎直立放在地面上，固定好。手持一个高尔夫球放在轮胎内，由一定高度放手，让它沿轮胎内部所形成的槽道滚动。球由放手处的高度滚到轮胎的底部，然后，又向前上方滚动，沿槽道上升，重新升到与放手处相同的高度，但是绝不会超过放手处的高度。从不同的高度放手，重复上面的实验。如果忽略摩擦等因素造成的能量损失，小球在整个运动中保持能量守恒。小球在由高处向轮胎底部运动的过程中，使原有的重力势能转化为向前滚动的动能；而由低处向高处滚动时，小球的动能又转化为势能。所以，小球又上升到原来的高度。实验三 魔瓶弹性势能和动能【实验步骤】（1）准备一个直径为810厘米的、带扣盖的塑料瓶。在瓶底圆周的一条直径上，离圆心为2厘米处各打一个小孔，则两个孔之间的距离为4厘米。瓶盖上也打同样的两个孔。（2）用锥子将两根橡皮筋的两个头分别穿入瓶底的两个小孔。（3）将已在瓶内的两根橡皮筋的另两个头再穿过瓶盖的两个孔，并使橡皮筋在瓶内成交叉状。但此时不要将瓶盖外的橡皮筋的两个头系紧。（4）用一段细金属丝的一端紧紧系住一个50克的重物，重物的形状为U型，如图9.2.3所示。用金属丝的另一端将重物系在橡皮筋的中间，尽可能系紧些。（5）扣上瓶盖，拉直橡皮筋，使重物位于瓶子的中部；再将瓶子外边的橡皮筋的头系紧。注意系重物的金属丝不要过长，以免重物碰撞瓶壁。（6）一手使瓶子保持水平，另一手转动瓶子，大约转40周。（7）将瓶子放在水平桌面上并向前推一下，瓶子将自动滚回来。（8）试一试将瓶子推下一个较为平缓的斜面，看看它是否可以自动滚上斜面。【现象解释】在转动瓶子时，重物回转使金属丝与橡皮筋相继发生缠绕。这样，一方面造成金属丝的缩短，使重物的位置升高，其重力势能增大；而另一方面，橡皮筋产生扭转形变，拧成了麻花状，储存下一定的弹性势能。最初，这些势能转化为滚动动能，并使瓶的速度达到最大。随后，瓶子滚动动能又将转化成瓶子内部重物的重力势能和弹性势能。如果忽略摩擦，动能的减小量等于势能的增加量。一旦动能减小至零时，势能就又重新开始向动能转化。此时，重物高度的回落和橡皮筋的松弛，均造成瓶子的向回滚动。实验四 旋转的环【实验器材】一根小木棍；一个内径大于木棍直径的橡胶垫圈。【实验内容】（1）将小木棍竖直放置在桌面上，并将橡胶垫圈套在木棍的顶部，如图9.2.4所示。这时可以向学生提问：如果放手让橡胶垫圈自由下落，垫圈由小木棍的顶部落到底部需要多少时间？（2）通过快速晃动小木棍，使橡胶垫圈在小木棍的顶部旋转起来，造成垫圈一边旋转一边下落的效果。再向学生提问：为什么这一次下落的情况与上一次不同？【实验现象与解释】如果仔细观察垫圈旋转和下落的速度，就可以发现：垫圈旋转的速度越快，它下落的速度就越慢；反之，垫圈旋转的速度越慢，它下落的速度就越快。橡胶垫圈与小木棍之间的摩擦阻碍了垫圈的直接下落。垫圈旋转得比较快时，它所受到的垂直于小木棍的力就比较大，因此它的旋转面就比较稳定，它下落的速度也就比较慢了。从能量角度看，垫圈直接下落时，重力克服摩擦力做功，重力势能变为平动动能。当垫圈转动时，它的转动动能来自垫圈所受切向分力的力矩做功。当垫圈的转动动能大到旋转面较稳定时，垫圈在竖直方向受的合力较小，重力势能减小得就较缓慢。实验五 动能向内能的转化【实验目的】观察和认识动能向内能的转化。【实验内容与现象】找一块薄铁皮（厚度最好不超过0.3毫米），将它剪下3厘米宽的一条，裹到木棍上。铁皮的长度以围过木棍一圈多即可。用手拿着木棍，将裹好的铁皮放在一块较大的废木头（表面光滑一点）或旧木凳上（图9.2.5），然后用另一只手手指背后的皮肤触及铁片，记下此时对它温度的感觉。用槌子迅速地敲击铁皮，直至停槌后再用手指触及它时会感到发烫。注意手指有烫的感觉要马上离开铁片。铁皮的质量小（短一点、薄一点），敲击的速度快，温升现象明显。敲的速度慢或换用金属垫物，则向空气的散热和垫物的导热将减少温升。实验六 电磁能和动能的转化【实验目的】观察电磁能和动能之间的相互转化。【实验内容】（1）把一个小罗盘放在火柴盒的底盒里，用导线将底盘缠绕几圈，导线要恰好盖住罗盘。导线两头各留出25厘米长。这个长度最好用尺量出。转动底盒，使导线与小罗盘指向南北的指针平行。然后，把导线一头与干电池一极连接，如图9.2.6（a）所示。另一头与电池另一极接触一下，断开，稍等一会再触一下。观察在点触接通电池的瞬间，指针有什么变化。（2）取一个蹄形磁铁，按图9.2.6（b）所示放置。铜丝AB（1毫米）的两端与导线连接，让铜丝位于磁铁的两极之间。给铜丝用点触的方式接通电源，观察铜丝有怎样的运动。 （3）用木条按图9.2.6（c）尺寸做一木框。沿长的方向，在两个相对的横向木条上紧紧地拉直两根直径为1.5毫米的裸铜导线做导轨。铜线表面须用细砂纸打出新鲜的光滑表面。一个蹄形磁铁如图9.2.6（c）所示放置，磁铁的高度要使两根导轨基本在磁铁的中间。在磁极的竖直面与两导轨相交的地方，在导轨上放一根长度适当的裸铜短棍，其表面也须重新打磨过。用导线将干电池（或手摇发电机串上毫安表后）与两导轨相连。选择适当的电流，会发现在接通电路后，小铜棍沿导轨滚动。改变电池的极性（或反方向转动手摇发电机的手柄），或把磁铁的两极颠倒一下，再重新做上述实验，并观察小铜棍滚动的方向。（4）用硬纸板做成一个纸管，粗细要能让条形磁铁自由出入。管的外面用导线缠绕，形成一个线圈，如图9.2.6（d）所示。线圈每头留下的长度不少于50厘米，这个长度也需用尺量出。将这个线圈与一个检流计或实验（1）中自制的罗盘线圈相连，用一个条形磁铁迅速插进线圈，仔细观察罗盘的指针有什么变化。然后，再快速将条形磁铁从线圈中抽出来，同时注意观察指针的变化。注意，如果使用罗盘线圈，操作前要先通过转动罗盘以使盒面的导线与指向南北的指针平行；并且要让罗盘线圈尽量远离线圈，以免磁铁感应。（5）用绝缘导线在一个软铁芯上缠绕几圈，形成一个线圈。将线圈与一个检流计相连，参见图9.2.6（e）。用一块条形磁铁在线圈的上方来回摆动，同时观察检流计的指针有什么变化。改变磁铁悬挂端的磁极，再观察指针的运动情况。然后，移走铁芯，重新做上述实验，观察此时指针的变化。实验七 热丝电流计【仪器原理】在热丝电流计中，电流流过一根铂系合金丝，简称为热丝，图9.2.7中的AC.当电流通过时，由于电流的热效应，热丝发热而膨胀伸长。这个膨胀结果被弹性金属丝（图9.2.7中的F）接收。弹性金属丝就像机械表中的发条一样，总保持企图伸直的趋势，从而将一根丝线拉紧。丝线绕在一个带指针的小转轴（图9.2.7中的E）上，当丝线运动时，带动转轴转动，使指针发生偏转。而丝线的另一端系在一根磷青铜线上，磷青铜丝连接热丝（图9.2.7中的BD）。丝线不能直接系在热丝上，因为热丝产生的热会使其燃烧，而磷青铜丝起到隔热的作用。所以，热丝因通过电流而发热膨胀，使磷青铜丝有所松弛，通过丝线的传递作用使弹性金属丝伸直，从而带动丝线以及转轴和指针运动。从能量上看，电能先变成热能，热能又转化为指针的动能和弹性金属丝的势能。实验八 压缩能的传播【实验原理】纵波在介质内产生压缩和拉伸形变，随着运动形式的传播，波动的能量也随之传播。在无色散的情况下，运动形式与其能量的传播速度是相同的，在固体中可以达到每秒数千米，远远超过一般物体运动的速度。1、首尾硬币的运动【实验步骤】将几枚同样的硬币放在桌面上排成一行，相互紧密地靠在一起（最好用胶带等将它们固定住）。将两枚同样的硬币分别放在行头与行尾，并且使最后一枚硬币与其前面的一枚硬币紧紧贴在一起，但不与之固联。给第一枚硬币一个迅速的冲击，使它快速撞击在第二枚硬币上，如图9.2.8（a）所示。观察所有硬币的运动情况。用一小段有弹性的固体棒（如木棒、金属棒、玻璃棒等）代替那一行固联在一起的硬币，重复上面实验的第二至第四步。几乎在第一枚硬币撞击第二枚硬币的同时，最后的一枚硬币就迅速地冲了出去。也就是说，第一枚硬币冲击所产生的压缩能量，在硬币的行列（或者固体棒）中一波紧接一波，快速地向前传递，在极短的时间内就传到了最后一枚硬币，使它冲向前方。在这个过程中，观察不到中间所有硬币的运动，即它们好像都是静止的。那么，压缩能是如何传递的呢？2、多米诺骨牌【实验步骤】将尽可能多一些的多米诺骨牌（或者类似的小长方体块，如麻将牌、军棋子等）在桌面上面对面排成一行，如图9.2.8（b）所示。注意每两个骨牌之间的距离要小于其高度。给位于第一个的骨牌A一个轻微而迅速的冲力。实验九 波传播能量【实验原理】波不但传播振源的振动状态，而且传播振源的能量。【实验目的】观察水波传递能量的现象。【实验步骤】（1）准备一个平底水槽，装上适量的水；并在水槽的一边放置一个软木塞。（2）手握长木条的细杆，在水槽的另一端做上下方向的振动，如图9.2.9所示。（3）观察水波的情况，并注意观察软木塞的运动。（4）增大或者减小手抖动的幅度，观察水波以及软木塞的运动情况。（5）加快或者减慢手抖动的频率，观察水波以及软木塞的运动情况。【现象解释】手带动长木条上下振动，使长木条成为振动的振源，它的运动状态和能量就被水传播出去，在水中形成水波，所以我们可以看到水波的波峰和波谷。水波携带的能量又传递给软木塞，使它随着水波上下振动。波峰到来时，软木塞上升；波谷到来时，软木塞下降。长木条振动的能量通过水波的中介作用，传递给了软木塞。所以，波不但传递振源的振动状态，而且传播振源的能量。如果我们增大手抖动的幅度，也就是增加了振源振动的能量，水波也随之产生变化，其波峰升高而波谷降低，软木塞的运动幅度也就随之增大。这些说明，振源的能量大，波传播的能量也就多；反之亦然。如果我们加快手抖动的频率，水波的波形也就随之改变，波峰与波峰或者波峰与波谷之间的距离就缩短，软木塞的振动频率也就变快（参见图9.2.9）。波是能量的传播者，它将振源的能量传递到它到达的所有地方。仔细观察所有骨牌的运动情况。冲击骨牌A时，就向它传递了一份小小的脉冲能量，造成它的倾倒，使它撞击到第二个骨牌。如此一个撞击下一个，一直到最末一个骨牌B被撞倒为止。如果仔细地观察就可以发现，尽管每一个骨牌仅仅在原地倒下，其运动的距离是很短的，但是这种脉冲能量的传递是如此地迅速，以至于在A还没有完全倒下来之前，B就已经开始向下倒了。在传递压缩能的过程中，固体中微粒的行为就如同上述的多米诺骨牌一样。固体是由原子、离子、分子等微观粒子组成的，它们紧密地排列在一起。当固体的一端接受到外界撞击所带来的压缩能时，该处的微粒产生相应的压缩形变，这样就将压缩能传递给了相邻的微粒；而相邻的微粒又会产生压缩形变，又会传递能量上述过程在固体内部的微粒之间依次进行，在非常短的时间内，就到达了固体的另一端，并由这里的微粒将压缩能传递给外界，造成实验（1）中的最后一枚硬币的前冲。在上述过程中，尽管每一个微粒的运动都很微弱，但是它们之间就像被小弹簧连接起来一样，以波动的方式携带着能量急速向前。上面的多米诺骨牌实验以及对于固体内部微粒运动的分析，都说明了这样一个事实：当能量在连接起来