應用“探究加速度與力、質量的關系”裝置驗證機械能守恒定律的思考

陳燕 王加元

(江陰市成化高級中學 江蘇 江陰 214423)

馮杰

(上海師范大學數理學院 上海 200235)

文獻[1]介紹了近幾年高考中以“探究加速度與力、質量的關系”裝置為基礎的6個探究性實驗.賞析了這些實驗的探究思想,充分認識這個力學實驗中探究性實驗的代表.受到作者的啟發,筆者結合實際教學談談在高三一輪的復習中利用這一裝置驗證機械能守恒定律這個實驗,為今后這類實驗的教學提供參考.

下面的試題就是利用上述實驗的變式探究機械能守恒定律.

【題目1】(2010年高考海南卷)利用氣墊導軌驗證機械能守恒定律,實驗裝置如圖1(a)所示.

圖1

(1)實驗步驟

1)將氣墊導軌放在水平桌面上,桌面高度不低于1 m，將導軌調至水平；

2)用游標卡尺測量擋光板的寬度l,結果如圖1(b)所示,由此讀出l=______mm；

3)由導軌標尺讀出兩光電門中心之間的距離s=______cm；

4)將滑塊移至光電門1左側某處.待砝碼靜止不動時,釋放滑塊,要求砝碼落地前擋光條已通過光電門2；

5)從數字計時器(圖1(a)中未畫出)上分別讀出擋光條通過光電門1和光電門2所用的時間Δt1和Δt2；

6)用天平稱出滑塊和擋光條的總質量M.再稱出托盤和砝碼的總質量m.

(2)用代表直接測量出的物理量的符號寫出下列所求物理量的表達式

1)滑塊通過光電門1和光電門2時得瞬時速度分別為v1=______和v2=______；

2)當滑塊通過光電門1和光電門2時,系統(包括滑塊、擋光條、托盤和砝碼)的總動能分別為Ek1=______和Ek2=______；

3)在滑塊從光電門1運動到光電門2的過程中,系統勢能的減少量ΔEp=______(重力加速度為g).

(3)如果ΔEp≈______,則可以認為驗證了機械能守恒定律.

答案:(1) 2)9.30； 3)60.00(59.96～60.04)

3)系統勢能減少量ΔEp=mgs.

(3)若ΔEp≈Ek2-Ek1,則可認為系統機械能守恒.

點評：這個實驗中使用的氣墊導軌和利用光電門求速度,有的學生對它很陌生.事實上在人教版《物理·必修1》科學漫步有介紹,這個實驗恰到好處地挖掘了教材.但在高三復習時,學生不重視課本,不愿意花時間研讀教材.這樣的策略導致越到后期越發覺得做物理題目不易得分,沒有成就感,害怕甚至不愿意做物理題;久而久之,興趣淡了,效果變差了.所以新課改倡導探究性學習.在新課的教學中作為教師不可以圖一時的方便而忽略對學生的實驗探究能力的培養.條件許可盡時，可能地把物理與STS結合,加強過程與方法的教學,提高學生的動手能力,培養學生的物理思維.

這樣的實驗思想在其他試卷上也有體現.

【題目2】(2010年江蘇省蘇錫常鎮四市調研試卷)某同學想利用如圖2(a)所示的裝置來驗證由小車A與重物B組成的系統機械能守恒.

圖2

(1)提供的器材

A.小車 B.重物 C.一端帶有滑輪的長木板

D.細繩 E.電火花計時器 F.紙帶

G.毫米刻度尺 H.低壓交流電源

I.220 V交流電源 J.6 V蓄電池 K.天平

實驗中不需要的器材是______(填寫選項前的符號).

(2)對重物B質量的選擇要求是______(填寫如下選項前的符號).

A.質量大一些 B.質量小一些

(3)主要實驗步驟

A.用天平分別測出小車及重物的質量為M，m

B.按圖安裝好裝置：將帶滑輪的平板水平放置,掛重物后,細繩須與木板平行

C.將小車拉至靠近打點計時器,接通電源,釋放小車

D.取下紙帶,并重復多次,得到幾條打點紙帶.選用點跡清晰的紙帶進行數據處理.

在該實驗中有一重大疏漏,請考生指出并改正：____________.

(4)數據處理

將改正實驗疏漏后得到的紙帶,去掉前面較密集的點,選擇點跡清晰且便于測量的連續點0～6,測出各點間距離如圖2(b)所示,已知電火花計時器的打點周期為T,要驗證在第1點與第5點時系統的機械能相等,則在誤差范圍內應滿足關系式____________.

答案：(1)由于在選項中提供三個電源,電火花計時器電源直接采用220 V交流電源,所以H，J這兩個器材不需要.

(2)A；

(3)應平衡摩擦力；

(4)mg(d5-d1)=

點評：這道題目與2010年海南高考題的區別在于沒有提供氣墊導軌.氣墊導軌上有很多小孔,利用氣泵送來的壓縮空氣從小孔噴出,使得滑塊與導軌之間有一層薄薄的空氣,兩者不會直接接觸.滑塊運動時受到的阻力很小,幾乎可以忽略.而這一題中第(3)題設置要求學生平衡摩擦力.筆者認為平衡摩擦力后,摩擦力做負功,系統機械能不守恒.事實上系統減少的重力勢能應為小車和重物兩者減少的重力勢能之和.雖然為了減少小車重力勢能變化帶來的影響,在第(2)題中提出對重物質量的要求:要求重物的質量大一些,但在設計思想上這個實驗不如2010年海南高考題嚴密.

鎮江市2010-2011學年度高三第一學期調研測試，再次將這個模型用于驗證系統的機械能守恒.

【題目3】 某同學利用如圖2(a)所示的裝置來驗證由小車與鉤碼組成的系統機械能守恒

(1)提供的器材

A.小車 B.鉤碼

C.一端帶滑輪的長木板 D.細繩

E.電火花打點計時器 F.紙帶

G.毫米刻度尺 H.游標卡尺

I.低壓交流電源 J.220 V交流電源

實驗中不需要的器材是______.(填寫器材前的符號),還需要的器材是______；

(2)為盡可能消除摩擦力對本實驗的影響,使驗證結果盡可能準確,則小車質量M和鉤碼質量m的關系應該滿足______;

(3)小明和小軍同學在做該實驗時,小明認為只要采用平衡摩擦力的方法將摩擦力平衡掉就可以了,無須滿足(2)問中小車質量M和鉤碼質量m的關系,而小軍卻否認小明的看法,你認為小明的看法______(選填“正確”或“不正確”),理由是______;

(4)兩位同學統一觀點后完成實驗,得到一條紙帶,去掉前面比較密集的點,選擇點跡清晰且便于測量的連續7個點(標號為0～6),測出相關距離如圖2(b)所示,要驗證在第2點與第5點時系統的機械能相等,則應滿足關系式______.(設小車質量M,鉤碼質量m,打點周期為T.)

答案 (1)H，I；天平.

(2)M?m；

(3)不正確；平衡摩擦力后,摩擦力做負功,系統機械能不守恒.

(4)mg(d5-d2)=

點評：這道題第⑵問盡可能消除摩擦力對本實驗的影響,要求小車質量遠小于鉤碼質量.筆者認為,摩擦力的影響只能減至很小,談完全消除則不妥;在第(3)問中小明同學的觀點不正確,理由是平衡摩擦力后,摩擦力做負功,系統機械能不守恒.似乎不做平衡摩擦力這步操作也可以完成實驗.若不做,系統減少的重力勢能就是鉤碼減少的重力勢能,系統增加的動能為小車和鉤碼增加的動能之和,肯定有ΔEp減大于ΔEk增；主要在于克服小車所受的摩擦力做功,即為μMg(d5-d2).所以要減小摩擦力的影響,必須使小車質量相對很小,即M?m.若完成平衡摩擦力這步操作,系統的機械能也不守恒, 對系統而言,小車和鉤碼重力勢能的減少不僅增加了系統的動能,而且用于克服小車所受的摩擦力做功.其中小車的重力勢能的減少用于克服小車受到的摩擦力做功,從驗證用的表達式看:只能說鉤碼重力勢能的減少更接近于系統動能的增量.

在操作平衡摩擦力時,克服摩擦力做功一定小于μMg(d5-d2),即小車重力勢能的減少必定小于μMg(d5-d2).相比于兩種做法,兩種情況下“系統”的機械能都不守恒.但筆者認為在滿足小車的質量M遠小于鉤碼的質量m的前提下,還是操作平衡摩擦力系統的誤差會小些.

三道題目皆來源于課本并高于課本,很好地挖掘了傳統實驗,并在原實驗上有創新.實踐表明學生的得分率不高,尤其搞不定小車質量與下面懸掛物(重物或鉤碼)兩者質量應滿足的關系,易與探究加速度與力的關系這個實驗中兩者的關系混淆.評講時學生能理解,在實戰時學生有畏難情緒,不愿仔細分析,憑著記憶寫一下,導致得分率不高.

顯然3個題目中2010年的全國高考海南卷的質量更高一籌,那個實驗既考查刻度尺與游標卡尺兩種不同長度測量工具的讀數,又融合驗證機械能守恒定律這個實驗,將氣墊導軌應用于實驗中,有效地減小了摩擦的影響.另兩題的設計也能有效地培養學生分析問題的能力.

參考文獻

1 藍坤彥.“探究加速度與力、質量的關系”經典實驗題的精彩變式.中學物理教學參考,2011(03):36～38