抓住實驗要點 突破學習難點

沈波

在我們的高考實考中涉及的一個重點內容就是驗證機械能守恒定律. 對于這個實驗，在學習過程中要掌握好幾個要點.

■ 要點一：如何進行合理選材及調整裝置

我們要做的是驗證性實驗——驗證機械能守恒. 那么機械能守恒的條件又是什么呢？重物在下落過程中，除了重力還有沒有阻力？怎樣減少這些阻力對實驗的影響呢？所以，我們在選材的時候選用質量和密度較大的重物，增大重力可使阻力的影響相對減小，增大密度可以減小體積，可使空氣阻力減小. 另外紙帶穿過限位孔的時候也要注意垂直穿過，減少摩擦帶來的阻力影響.

■ 要點二：如何選取紙帶進行計算分析

分別求出做自由落體運動物體的重力勢能的減少量和相應過程動能的增加量. 若二者相等，說明機械能守恒，從而驗證機械能守恒定律. 這樣，在選擇的時候有兩種方法.

方法一：用■mv2n=mghn驗證時，應選擇點跡清晰，且1、2兩點間的距離小于或接近2 mm的紙帶. 如果是大于2 mm，可能是先放紙帶，再接通電源，這樣打出的點就不是真正運動的起始點，這條紙帶不能選.

方法二：若用■mv2B-■mv2A=mgΔh來進行驗證，由于重力勢能的相對性，這樣基準點就不一定要選擇第一個點，只要從清晰的那個點開始考慮即可.

■ 要點三：數據處理的多種選擇

針對不同的紙帶選取方法，數據處理也有多種途徑

方法一：利用起始點和第n點計算，不需要測出物體的實際質量，直接代入ghn和■v2n，在誤差允許范圍之內，ghn和■v2n相等，那么結論成立，驗證了機械能守恒定律.

方法二：以任意清晰的點作為基準點，記為A點，之后再選取一清晰點B，測出高度差hAB，算出ghAB，同樣不需測出m，第二步算出■v2B-■v2A，在誤差允許范圍內，若兩者相等，則結論同樣可以得到.

方法三：作圖. 在紙帶上多選幾個計數點，測量出各計數點到所選第一基準點的距離h，算出格計數點對應的速度v，以h為橫軸，以■v2為縱軸作圖. 如果圖象是一條斜率為g的直線（如圖2），則驗證了機械能守恒定律.

注意在處理后面各點的速度時，測出第n個點與相鄰前后點間的距離xn和xn+1，我們用公式vn=■或測出所選第n個點的后一個點與前一個點到起始點的距離hn+1和hn-1，用vn=■進行速度計算，不能用vn=gtn或vn=■來算，因為只要認為加速度是g，那就無需再進行驗證此實驗，相當于用機械能守恒定律來驗證機械能守恒定律，這樣是不對的.

■ 要點四：了解誤差來源，學會驗證分析

本實驗主要的誤差來源是存在其他阻力. 重物和紙帶下落過程中要克服阻力，紙帶與計時器之間的摩擦，計時器平面不在豎直方向，紙帶平面與計時器平面不平行等都是阻力增大的原因. 這樣物體下落過程的加速度a

再者，在測量物體下落高度時，也會產生一定誤差，交變電流的頻率不是50 Hz也會帶來誤差，一般 f <50 Hz會使ΔEk<ΔEp的誤差進一步加大，反之，則可能出現ΔEk>ΔEp的結果.

■ 要點五：其他驗證裝置、方法

■ 例1如圖3所示，實驗室為你準備了下列主要的實驗器材：a. 帶孔的金屬小球；b. 光電門和光電計時器. 試設計一個實驗，驗證機械能守恒定律.

■ 解析用細線拴一小球，讓其從某一高度由靜止釋放，小球在向下擺動的過程中，線的拉力與球運動方向垂直，不做功. 因小球運動的速度不太大，空氣阻力可以忽略，所以小球在下擺的過程中認為機械能守恒，設小球的質量為m，用直尺測出某過程小球下落的高度，用光電門和光電計時器測出小球通過最低點時的速度，便可驗證球下擺的過程中機械能是否守恒.

處理步驟：①測出由懸點到小球釋放點的高度h，算出小球下落高度Δh=L-h和小球重力勢能的變化ΔEp=mg（L-h）. ②由小球的直徑d和小球通過光電門的時間算出小球在最低點時的速度v和相應動能增量ΔEk=■m■2. 比較ΔEk和ΔEp的大小，便可驗證此過程機械能是否守恒.

■ 例2光電計時器是一種研究物體運動情況的常用計時儀器，其結構如圖4甲所示，a、b分別是光電門的激光發射和接收裝置，當有物體從a、b間通過時，光電計時器就可以顯示物體的擋光時間.現利用如圖乙所示的裝置驗證機械能守恒定律. 圖中PQ斜面光滑，1和2是固定在木板上適當位置的兩個光電門，與之連接的兩個光電計時器沒有畫出.讓滑塊d從木板的頂端滑下，光電門1、2各自連接的計時器顯示的擋光時間分別為5.00×10-2 s和2.00×10-2 s，小滑塊d的寬度為5.00 cm，PQ斜面與水平面夾角為30°，光電門1、2之間距離L=0.54 m（g=9.8 m/s2）.

■ 解析滑塊做勻加速直線運動.由于滑塊分別通過1、2光電門的時間t1=5.00×10-2 s，t2=2.00×10-2 s，很短.

滑塊通過光電門1的速度

v1=■=■ m/s=1 m/s.

滑塊通過光電門2的速度

v2=■=■ m/s=2.5 m/s

動能增加量為

ΔEk=■mv22-■mv21=2.625m J

重力勢能的減少量為

ΔEp=mgL·sin30°=2.646m J

結論只有重力做功的情況下（實驗中滑塊受重力和支持力，支持力不做功），物體機械能守恒.