1862次浏览

机械能守恒定律

机械能守恒定律

验证机械能守恒定律 在全日制普通高级中学教科书(必修加选修)物理第二册中,学生实验 “验证动量守恒定律”要求用两个大小相同但质量不等的小球的碰撞来验证动量守恒定律在学生的实验数据分析中,我们发现,绝大多数的实验结果是碰后的总动量大于碰前的总动量。对此,我们利用学生实验装置来探索出现上面结果的原因。 实验方法如图1所示入射球为40g左右的钢球。首先

目录

1. 验证机械能守恒定律

在全日制普通高级中学教科书(必修加选修)物理第二册中,学生实验 “验证动量守恒定律”要求用两个大小相同但质量不等的小球的碰撞来验证动量守恒定律在学生的实验数据分析中,我们发现,绝大多数的实验结果是碰后的总动量大于碰前的总动量。对此,我们利用学生实验装置来探索出现上面结果的原因。 实验方法如图1所示入射球为40g左右的钢球。首先,我们用质量为5g左右的电木球作被碰球,改变入射球下落的高度,经过多次试验,发现实验结果都是碰后的总动量大于碰前的总动量,相对误差是3%左右。然后,我们改变被碰球的质量,用质量为15g左右的玻璃球做被碰球,实验结果仍是碰后的总动量大于碰前的总动量,相对误差在13%左右:被碰球用与入射球质量相近的钢球,实验结果还是碰后的总动量大于碰前的总动量,相对误差达到30%左右。从上面的结果中可以发现,被碰球质量越大,相对误差越大。我们猜测出现以上结果的原因是由于碰撞时小球与轨道间的摩擦造成的。于是,我们在轨道上涂上适量的润滑油,重复上面的操作,实验结果虽然仍是碰后的总动量大于碰前的总动量,但相对误差有了明显的减小:被碰球用5g左右电木的球时,相对误差是1%以下:被碰球用15g左右的玻璃球时,相对误差是5%左右:被碰球用40g左右的与入射球质量相近的钢球时,相对误差是7%左右。上面的结果证明了我们的猜测。下面我们从理论上进行分析。入射球从轨道上滚下时,由于摩擦,入射球做无滑滚动。这时,入射球受到的是静摩擦力作用。在两个小球碰撞的瞬间,入射球球心的速度突然减小,但由于入射球的转动角速度没有突变,这时入射球与轨道之间就变成有滑滚动(如图2所示)。这样,入射球受到了与运动方向相同的滑动摩擦力的作用。根据动量定理可知,系统的总动量将增加,这就是出现上述结果的主要原因。被碰球质量越大,两个小球碰撞时,入射球球心的速度减小得越多,由于入射球的转动,使得入射球在轨道上做有滑滚动的时间就越长。滑动摩擦力的作用时间越长,系统受到的滑动摩擦力的冲量也越大,系统的总动量增加的也越多,这就是被碰球质量越大,相对误差越大的原因。 进一步分析易知,由于碰后入射球受到与运动方向相同的滑动摩擦力的作用,入射球的转动角速度将减小,转动动能减小,平动动能增大。因此,入射球离开轨道时的速度比刚碰完时的要大一些。所以,总动量的增加主要是由于入射球碰后动量增大造成的。 综上所述,要有效减小本实验的误差,必须使轨道和入射球之间尽量光滑,同时,选用质量尽可能小的被碰球。

相关阅读
返回顶部