用氣墊導軌驗證系統機械能守恒定律

沈 軍

(南通大學附屬中學 江蘇 南通 226001)

圖1

以下是利用氣墊導軌和光電門進行系統機械能守恒實驗的過程，采用的器材有氣墊導軌、光電門、數字計時器、墊高片、天平.

1 氣墊導軌調節水平

實驗中首先需要進行氣墊導軌的水平調節.將氣墊導軌放置在水平桌面上，安裝好光電門，讓兩個光電門的距離相距40 cm，此距離即為后續計算中鉤碼下落的距離.打開氣源，輕推滑塊，如果滑塊通過兩個光電門的時間相同，則氣墊導軌水平調節完成，在實際操作中，如果通過兩個光電門的時間相差小于5%，就可以認為水平調節完成.

2 實驗驗證

水平調節完成后，用5 g的鉤碼拉動滑塊，通過兩個光電門后，數字計時器顯示出滑塊經過兩個光電門的速度，輸入Excel進行計算,結果如表1所示.

表1 數據記錄 g=9.80 m/s2

從結果可以發現，不計入鉤碼的動能，誤差在8.7%左右，如果計入鉤碼的動能，則誤差在6.1%，符合實驗要求.

3 問題討論

但對于學生來說，僅從直觀的數據看，有學生認為這個鉤碼的動能不計，也基本能證明守恒，數據的差值可能還是阻力的影響.此時，也可能會有學生提出，在探究加速度與力和質量關系的實驗中，如果滑塊的質量遠大于鉤碼的質量，可以近似認為鉤碼的重力就是繩子上的拉力，那么，這個實驗中，鉤碼的動能是否可以忽略呢？

4 再次驗證

換用50 g的鉤碼，再次進行實驗，數據如表2所示.

表2 實驗數據 g=9.80 m/s2

從這組數據可以看出，如果不計入鉤碼的動能，則計算的偏差為24%，正確算法的結果誤差為2.7%，符合實驗要求.從這里可以讓學生清楚地認識到系統機械能守恒不能缺少鉤碼的動能.

5 拓展研究

在前面實驗的基礎上，可以進一步把氣墊導軌的一端墊高(墊高15 mm)，這樣滑塊滑行時重力勢能也會減小，而這部分勢能往往也是學生容易遺漏的，實驗數據如表3所示.

可以發現，如果不計入滑塊減少的勢能，偏差為43%，正確的結果誤差為4.5%.這個實驗進一步讓學生發現自己對系統機械能守恒認識上的問題，從而讓學生能夠正確地認識系統機械能守恒的相關模型.

表3 實驗數據 g=9.80 m/s2

6 結語

本實驗利用的是實驗室的基本儀器，采用Excel進行數據處理，實際教學中無需另加時間，利用正常教學時間，學生就可以直觀地發現自己的問題所在，糾正錯誤.這樣既讓學生在有限的時間里動手動腦，又促進了對書本知識的鞏固、掌握.