验证机械能守恒定律实验的几种常见设计

1、验证机械能守恒定律实验的几种常见设计陕西省宝鸡市陈仓区教育局教研室邢彦君在不涉及弹性势能时，机械能守恒的条件是，在物体系统的运动过程中只有重力做功。这时只是重力势能与动能的相互转化，系统增加（或减小）的重力势能等于减少（或增加）的动能。要用实验验证这一关系，需测出运动过程中物体系统内各物体的高度变化，从而计算系统重力势能的变化量，这可以用刻度尺测量。测需要测出系统中各物体的初、末速度，从而计算系统动能的变化量，这可以用打点计时器、光电门、速度传感器等测量，也可以利用其它物理规律测量。完成此实验，一是机械能守恒条件的创设，即让无弹性形变的物体系统只受重力这一外力的作用，或虽有非重力作用，但它们不

2、做功；二是测算出运动过程中两个状态间系统减少的重力势能与增加的动能；三是比较与在误差范围内是否相等。由于空气阻力及摩擦力的不可避免，总有。一、利用打点计时器进行验证1物体做自由落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2mm的纸带进行测量。测出第0点到第n点的距离L，则重锤重力势能的减少量为；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，可知打第n点时重锤的瞬时速度为，重锤动能的增

3、量为。由于要比较是否相等的与都是m的倍数，所以本实验不需要测量重锤的质量。例1某同学用图1（a）所示的实验装置验证机械能守恒定律。已知打点计时器所用电源的频率为50Hz，当地重力加速度为g=9.80m/s2。实验中该同学得到的一条点迹清晰的完整纸带如图1（b）所示。纸带上的第一个点记为O，另选连续的三个点A、B、C进行测量，图中给出了这三个点到O点的距离hA、hB和hC的值。回答下列问题（计算结果保留3位有效数字）（1）打点计时器打B点时，重物速度的大小vB= m/s；（2）通过分析该同学测量的实验数据，他的实验结果是否验证了机械能守恒定律？简要说明分析的依据。答案：3.90 m/s，能验证。

4、解析：由匀变速直线运动一段时间里的平均速度等于这段时间的重点时刻的瞬时速度的推论可知：m/s=3.90 m/s。则从重锤开始下落道打出点B，重锤增加的动能，减少的重力势能为。由于近似等于，因此该实验验证了机械能守恒定律。【点评】该实验中，由于纸带的阻力、空气阻力的存在，重锤减少的重力势能大于增加的动能。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、=、；（3）=；（4）过原点的倾斜直线，机械能守恒。解析：由平抛运动公式可算知滑块离开轨道时的速度为。滑块从释放到离开轨道，减少的重力势能为：，增加的动能为：；由于摩擦及空气阻力，小球在轨道上运动时，克服阻力做功，E

5、PEk；若机械能守恒，则有EP=Ek，即=。解得：=。由此可知 H-s2图像为过原点的倾斜直线。【点评】注意将与实验原理有关的非线性关系式改造成线性关系式。四、利用DIS系统验证如图7（a）所示，利用DIS系统可验证摆球运动中的机械能守恒。实验中DIS系统将显示出摆球的重力势能Ep、动能Ek、机械能E随摆球离开平衡位置的高度h变化的图象如图6（b）中的丙、乙、甲所示，从图象可知，在任何高度h时，摆球的机械能（动能与重力势能的和）保持不变。2014-04-11人教网附录资料：不需要的可以自行删除火电厂工艺流程火力发电厂。以煤、石油或天然气作为燃料的发电厂统称为火电厂1、火电厂的分类（1）按燃料分

6、类：燃煤发电厂，即以煤作为燃料的发电厂；邹县、石横青岛等电厂燃油发电厂，即以石油（实际是提取汽油、煤油、柴油后的渣油）为燃料的发电厂；辛电电厂燃气发电厂，即以天然气、煤气等可燃气体为燃料的发电厂；余热发电厂，即用工业企业的各种余热进行发电的发电厂。此外还有利用垃圾及工业废料作燃料的发电厂。（2）按原动机分类：凝汽式汽轮机发电厂、燃汽轮机发电厂、内燃机发电厂和蒸汽-燃汽轮机发电厂等。（3）按供出能源分类：凝汽式发电厂，即只向外供应电能的电厂；热电厂，即同时向外供应电能和热能的电厂。（ 4）按发电厂总装机容量的多少分类：容量发电厂，其装机总容量在100MW以下的发电厂；中容量发电厂，其装机总容量在

7、100250MW范围内的发电厂；大中容量发电厂，其装机总容量在250600MW范围内的发电厂；大容量发电厂，其装机总容量在6001000MW范围内的发电厂；特大容量发电厂，其装机容量在1000MW及以上的发电厂。（5）按蒸汽压力和温度分类：中低压发电厂，其蒸汽压力在3.92MPa（40kgfcm2）、温度为450的发电厂，单机功率小于25MW；地方热电厂。高压发电厂，其蒸汽压力一般为9.9MPa（101kgfcm2）、温度为540的发电厂，单机功率小于100MW；超高压发电厂，其蒸汽压力一般为13.83MPa（141kgfcm2）、温度为540540的发电厂，单机功率小于200MW；亚临界压力

8、发电厂，其蒸汽压力一般为16.77MPa（171 kgfcm2）、温度为540540的发电厂，单机功率为30OMW直至1O00MW不等；超临界压力发电厂，其蒸汽压力大于22.llMPa（225.6kgfcm2）、温度为550550的发电厂，机组功率为600MW及以上，德国的施瓦茨电厂;超超临界压力发电厂, 其蒸汽压力不低于31 MPa、温度为593.水的临界压力：22.12兆帕；临界温度：374.15（6）按供电范围分类：区域性发电厂，在电网内运行，承担一定区域性供电的大中型发电厂；孤立发电厂，是不并入电网内，单独运行的发电厂；自备发电厂，由大型企业自己建造，主要供本单位用电的发电厂（一般也与

9、电网相连）。2、火力发电厂工艺流程。燃煤，用输煤皮带从煤场运至煤斗中。大型 HYPERLINK /view/145622.htm t _blank 火电厂为提高燃煤效率都是燃烧煤粉。因此，煤斗中的原煤要先送至磨煤机内磨成煤粉。磨碎的煤粉由热空气携带经排粉风机送入锅炉的炉膛内燃烧。煤粉燃烧后形成的热烟气沿锅炉的水平烟道和尾部烟道流动，放出热量，最后进入除尘器，将燃烧后的煤灰分离出来。洁净的烟气在引风机的作用下通过烟囱排入大气。助燃用的空气由送风机送入装设在尾部烟道上的空气预热器内，利用热烟气加热空气。这样，一方面使进入锅炉的空气温度提高，易于煤粉的着火和燃烧外，另一方面也可以降低排烟温度，提高热

10、能的利用率。从空气预热器排出的热空气分为两股：一股去磨煤机干燥和输送煤粉，另一股直接送入炉膛助燃。燃煤燃尽的灰渣落入炉膛下面的渣斗内，与从除尘器分离出的细灰一起用水冲至灰浆泵房内，再由灰浆泵送至灰场。火力发电厂在除氧器水箱内的水经过给水泵升压后通过高压加热器送入省煤器。在省煤器内，水受到热烟气的加热，然后进入锅炉顶部的汽包内。在锅炉炉膛四周密布着水管，称为水冷壁。水冷壁水管的上下两端均通过联箱与汽包连通，汽包内的水经由水冷壁不断循环，吸收着煤受燃烧过程中放出的热量。部分水在冷壁中被加热沸腾后汽化成水蒸汽，这些饱和蒸汽由汽包上部流出进入过热器中。饱和蒸汽在过热器中继续吸热，成为过热蒸汽。过热蒸汽

11、有很高的压力和温度，因此有很大的热势能。具有热势能的过热蒸汽经管道引入 HYPERLINK /view/33757.htm t _blank 汽轮机后，便将热势能转变成动能。高速流动的蒸汽推动 HYPERLINK /view/3824255.htm t _blank 汽轮机转子转动，形成机械能。汽轮机的转子与 HYPERLINK /view/54769.htm t _blank 发电机的转子通过连轴器联在一起。当汽轮机转子转动时便带动 HYPERLINK /view/3824654.htm t _blank 发电机转子转动。在发电机转子的另一端带着一台小直流发电机，叫励磁机。励磁机发出的直流电

12、送至发电机的转子线圈中，使转子成为电磁铁，周围产生磁场。当发电机转子旋转时，磁场也是旋转的，发电机定子内的导线就会切割磁力线感应产生 HYPERLINK /view/10897.htm t _blank 电流。这样，发电机便把汽轮机的机械能转变为 HYPERLINK /view/48797.htm t _blank 电能。电能经变压器将 HYPERLINK /view/10954.htm t _blank 电压升压后，由输电线送至电用户。释放出热势能的蒸汽从汽轮机下部的排汽口排出，称为乏汽。乏汽在 HYPERLINK /view/1090375.htm t _blank 凝汽器内被循环水泵送入

13、凝汽器的冷却水冷却，重新凝结成水，此水成为凝结水。凝结水由凝结水泵送入低压加热器并最终回到除氧器内，完成一个循环。在循环过程中难免有汽水的泄露，即汽水损失，因此要适量地向循环系统内补给一些水，以保证循环的正常进行。高、低压加热器是为提高循环的热效率所采用的装置，除氧器是为了除去水含的氧气以减少对设备及管道的腐蚀。大致工艺流程如下图：3、火力发电厂的三大系统。燃烧系统燃烧系统是由输煤、磨煤、粗细分离、排粉、给粉、锅炉、除尘、脱硫等组成。是由皮带输送机从煤场,通过电磁铁、碎煤机然后送到煤仓间的煤斗内,再经过 HYPERLINK /view/974489.htm t _blank 给煤机进入磨煤机进

14、行磨粉，磨好的煤粉通过空气预热器来的热风，将煤粉打至粗细分离器，粗细分离器将合格的煤粉（不合格的煤粉送回磨煤机），经过排粉机送至粉仓，给粉机将煤粉打入喷燃器送到锅炉进行燃烧。而烟气经过 HYPERLINK /view/1337753.htm t _blank 电除尘脱出粉尘再将烟气送至 HYPERLINK /view/566699.htm t _blank 脱硫装置，通过石浆喷淋脱出硫的气体经过吸风机送到烟筒排入天空。燃烧系统还可细分为：风烟系统、制粉系统、灰渣系统。我公司运行参数主要显示在制粉系统中。汽水系统火力发电厂的汽水系统是由锅炉、汽轮机、凝汽器、高低压加热器、凝结水泵和给水泵等组成，

15、他包括汽水循环、化学水处理和冷却系统等。水在锅炉中被加热成蒸汽，经过热器进一步加热后变成过热的蒸汽，再通过主蒸汽管道进入汽轮机。由于蒸汽不断膨胀，高速流动的蒸汽推动汽轮机的叶片转动从而带动发电机。为了进一步提高其热效率，一般都从汽轮机的某些中间级后抽出作过功的部分蒸汽，用以加热给水。在现代大型汽轮机组中都采用这种给水回热循环。发电系统发电系统是由副励磁机、励磁盘、主励磁机（备用励磁机）、发电机、变压器、高压断路器、升压站、配电装置等组成。发电是由副励磁机（永磁机）发出高频电流，副励磁机发出的电流经过励磁盘整流，再送到主励磁机，主励磁机发出电后经过调压器以及灭磁 HYPERLINK /view/126104.htm t _blank 开关经过碳刷送到发电机转子，当发电机转子通过旋转其定子线圈便感应出电流，强大的电流通过发电机出线分两路，一路送至厂用电变压器