用單擺驗(yàn)證機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

張彥明（甘肅省甘南州合作藏中）

用單擺驗(yàn)證機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

張彥明
（甘肅省甘南州合作藏中）

械能守恒在整個(gè)中學(xué)物理教學(xué)中非常重要，它給學(xué)生一個(gè)新的視角，用守恒的思想去解決動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，在整個(gè)自然科學(xué)領(lǐng)域，守恒是一種非常重要的研究問(wèn)題的方法，能量守恒、電荷守恒、質(zhì)量守恒、機(jī)械能守恒、動(dòng)量守恒，都是各學(xué)科領(lǐng)域中非常重要的定律，中學(xué)物理是運(yùn)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器結(jié)合自由落體運(yùn)動(dòng)來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒的，實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單易行，但有如下不足：（1）誤差相對(duì)較大只能精略大致進(jìn)行驗(yàn)證；（2）區(qū)限性較大，自由落體是直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)中機(jī)械能守恒，曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)中守恒嗎？（3）不便于不學(xué)生課外自主探究。該實(shí)驗(yàn)受打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限制，學(xué)生課外要想去驗(yàn)證不易實(shí)現(xiàn)，更談不上自主探究以及素質(zhì)的提升。

本文介紹借助單擺和平拋運(yùn)動(dòng)動(dòng)去驗(yàn)證機(jī)械能守恒。

一、機(jī)械能守恒簡(jiǎn)介

1.機(jī)械能守恒的條件：只有重力或者是彈力做功。

2.機(jī)械能守恒的三個(gè)表達(dá)式（沒(méi)有彈性勢(shì)能參與時(shí)）

（2）能量變化表達(dá)式：mgh1-mgh2=mv22-mv12

（3）對(duì)象表達(dá)式：E1′-E1=E2-E2′

假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)有兩個(gè)對(duì)象，則對(duì)象1機(jī)械能的減小量等于對(duì)象2機(jī)械能的增加量。

二、用單擺驗(yàn)證機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)

1.實(shí)驗(yàn)原理

mgh1=mvB2

h2=gt2

x2=vBt

2.實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

首先接通電源等B處的電熱絲達(dá)到一定溫度后，將單擺從最點(diǎn)B拉到某一位置A處，從靜止開(kāi)始釋放小球，單擺從A向B運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)懸掛小球的細(xì)線(xiàn)在此處被通電的電熱絲燒斷，水平向外飛出做平拋運(yùn)動(dòng)，落到鋪有復(fù)寫(xiě)紙的地面上C點(diǎn)，然后分別測(cè)量出小球從A運(yùn)動(dòng)到C的過(guò)程中下落的高度h1、小球做平拋運(yùn)動(dòng)的高度h2，和遠(yuǎn)度x2。重重復(fù)剛才步驟，多做幾次，并分別記錄數(shù)據(jù)。

3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理

（1）下落高度的測(cè)量

得用刻度尺測(cè)量出小從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)是下落的高度h1。（2）速度的測(cè)量

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)原理化簡(jiǎn)可得：h1=0.25x22/h2，

通過(guò)測(cè)量h1，x2，h2，代入上式，是否近似等，如果相等機(jī)械能守恒，則驗(yàn)證完成。

5.實(shí)驗(yàn)分析

要驗(yàn)證機(jī)械能守恒，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)的過(guò)程機(jī)械能首先要守恒，通過(guò)分析兩個(gè)階段小球只有重力做功，機(jī)械能是守恒的。因此本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)符合要求。

誤差分析：

①偶然誤差：用刻度尺測(cè)量三個(gè)長(zhǎng)度，由于估讀，引入偶然誤差，采用多次測(cè)量求平均值的方法減少該誤差。

②系統(tǒng)誤差：測(cè)量過(guò)程中測(cè)量?jī)x器精度會(huì)引入系統(tǒng)誤差，減少系統(tǒng)誤差的方法可能根據(jù)測(cè)量的需要，選擇合適的測(cè)量?jī)x器。

小球的選擇也會(huì)引入誤差，因?yàn)樾∏蛟谶\(yùn)動(dòng)中受周?chē)諝獾挠绊懀瑫?huì)損失少量的機(jī)械能，為減少誤差，可以選擇密度較大、體積較小的小球。

三、本實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的意義和應(yīng)用

本實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單便于實(shí)現(xiàn)，也有許多可以改進(jìn)的地方，學(xué)生在課外探究時(shí)有很大的空間，同時(shí)可鞏固平拋運(yùn)動(dòng)，一舉兩得。

本實(shí)驗(yàn)也與素質(zhì)教育理理念不謀而合，素質(zhì)教育注重以人為本。本實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的不足做了合理的補(bǔ)充，注重了培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性及科學(xué)探究精神，強(qiáng)調(diào)了以學(xué)生為主的人本主義精神，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望與創(chuàng)新能力，使學(xué)生知道，課本上給出的并不是唯一的答案，我們可以在課本基礎(chǔ)上，根據(jù)所學(xué)的知識(shí)，去設(shè)計(jì)更加巧妙與合理的實(shí)驗(yàn)，這也是新課改下新課標(biāo)教材理念之一。

四、本實(shí)驗(yàn)的不足之處與改進(jìn)方法

1.單擺無(wú)論用什么方法使線(xiàn)斷掉，都會(huì)損失一小部分機(jī)械能，每次在實(shí)驗(yàn)，必須保證小球從同一位置靜止釋放，小球的位置是根據(jù)眼睛大致做出判斷，這樣會(huì)因此而引入較大的誤差。

2.小球擺到最低點(diǎn)要保證從水平飛出，實(shí)際操作中最低點(diǎn)B往往不是太準(zhǔn)確。

3.每次要重新更換單擺上的細(xì)線(xiàn)比較麻煩，并且不能保證更換后單擺的擺長(zhǎng)每次都相等，從而人為的引入實(shí)驗(yàn)的誤差。

4.用電熱絲去燒斷細(xì)線(xiàn)必須達(dá)到一定的溫度，這樣在學(xué)生操作過(guò)程中不注意的話(huà)可能會(huì)燙傷學(xué)生。

根據(jù)以上出現(xiàn)的問(wèn)題，我覺(jué)得應(yīng)從如下幾點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)：

1.不用單擺，只用小球，這樣可以省去電熱絲部分，實(shí)驗(yàn)裝置更加緊湊，也避免了燙傷學(xué)生的隱患和更換擺線(xiàn)的麻煩。

2.找一段末端水平的軌道將它固定在離地一定高度的位置，并調(diào)整軌道使末端水平，然后讓小球每次從同一高度由靜止開(kāi)始下落，測(cè)出小球在軌道上下落的高度然后測(cè)出小球從軌道上飛出去后做平拋運(yùn)動(dòng)的高度與遠(yuǎn)度。

通過(guò)改進(jìn)以后，實(shí)驗(yàn)操作起來(lái)更加容易，也避免了實(shí)驗(yàn)中存在一些安全隱患，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

·編輯薄躍華