利用氣墊導軌改進機械能守恒定律驗證實驗

徐藝玲

(南京師范大學隨園校區　江蘇 南京　210023)

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利用氣墊導軌改進機械能守恒定律驗證實驗

徐藝玲

(南京師范大學隨園校區江蘇 南京210023)

本文基于人教版高中《物理·必修2》中“實驗：驗證機械能守恒定律”一節內容，利用氣墊導軌改進課本中的實驗，驗證了彈力參與做功時的系統機械能守恒．此改進有益于加深學生對機械能守恒定律的全面理解．

機械能守恒定律實驗改進氣墊導軌彈力

1　驗證機械能守恒定律的現狀分析

“實驗：驗證機械能守恒定律”是人教版必修2第七章第9節的內容，是高中物理實驗教學中很重要的一部分，也是《考試說明》明確規定必須掌握的實驗之一．本節實驗安排在學生學習了機械能守恒定律之后，目的是讓學生通過實際觀測和計算進一步加深對機械能守恒定律的理解，同時也給學生增加實驗探究與體驗的機會來培養學生實驗思維與動手能力，提高學生理論聯系實際的水平．

圖1　驗證機械能守恒定律

教材上選擇了如圖1所示的自由落體運動來驗證機械能守恒定律，對獲得的紙帶進行數據處理，測出重物某時刻的下落高度H和該時刻的瞬時速度v，比較動能和重力勢能的變化，從而驗證機械能守恒定律，具體處理辦法和數據在此不做贅述．此實驗中的偶然誤差來自于紙帶數據的處理，系統誤差主要來源于紙帶跟打點計時器之間的阻力和重物下落所受到的空氣阻力．

機械能守恒定律的驗證實驗除了用教材上所用的方法以外，還有很多其他實驗方法，下面列舉了文獻中出現過的一些創新方案．

頻閃照片法：用頻閃照片代替打點計時器和紙帶，通過測量頻閃照片中的位移來計算速度，實驗原理還是自由落體運動中物體的動能和重力勢能的相互轉化．

光控門測速法：用光控門代替打點計時器和紙帶測量速度，實驗原理不變，但簡化了速度的測量和計算．

單擺法：細線的一端固定，另一端與小球相連，小球從與固定點相水平位置釋放，運動到與固定點豎直位置時剪斷細線使小球做平拋運動，通過測量擺線的長度求出重力勢能的變化，通過平拋運動軌跡算出速度進行數據驗證．

氣墊導軌法：將氣墊導軌的一端墊高，通過滑塊在導軌上的移動距離和導軌傾角算出高度，利用光電門和數字計時器算出速度進行數據驗證．

不管是教材上的驗證實驗還是文獻中的創新方案，都只是驗證了重力做功時的機械能守恒定律．新課標提倡科學素養，而科學素養中的科學研究思維應該是嚴謹而全面的．就全面性方面考慮，筆者認為應該補充彈力參與做功時的驗證實驗，既可以加深學生對機械能守恒定律的認識，又可以培養學生的科學素養．而在本實驗設計中利用氣墊導軌這一器材是考慮到可以減少摩擦引起的誤差，同時也是為了測速的方便．

2　利用氣墊導軌改進機械能守恒定律驗證實驗

以下是改進實驗的實驗過程，所需器材有氣墊導軌(含光電門、數字計時器)、滑塊2個、彈簧、游標卡尺、天平、彈簧測力計、直尺、細線和剪刀．

2.1測量彈簧的勁度系數

根據胡克定律，彈簧在發生彈性形變時，彈簧的彈力F和彈簧的伸長量(或壓縮量)Δx成正比，分別記下不同彈簧測力計示數F下的彈簧伸長量Δx，并將數據記錄在表格內．根據表格內的數據以彈力F為縱坐標，以彈簧伸長量Δx為橫坐標在坐標紙上選取合適的刻度作出F-Δx圖線(如圖2所示)，計算出所使用彈簧的勁度系數為κ=6.4 N/cm．

圖2　F-Δx圖線

2.2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．先進行粗調：接通氣源，將裝有遮光片的滑塊輕放于導軌上，調節單腳螺絲，使滑塊在導軌上各處基本上均能保持靜止；再進行細調：數字計時器功能擋打在加速度擋，轉換擋打在速度擋，推動滑塊使滑塊以某一速度運動，測量滑塊先后經過兩光電門后顯示的加速度a，仔細調節單腳螺絲，使加速度的絕對值不大于0.3 cm/s2就可以認為導軌已基本水平．

2.3實驗驗證

用天平測出滑塊質量m=105.6 g，用游標卡尺測出滑塊上擋光片寬度d=9.82 mm．在氣墊導軌一側安裝彈簧(如圖3所示)，壓縮彈簧并釋放使滑塊運動，記錄下壓縮的長度和滑塊經過光電門后數字計時器上顯示的時間，改變壓縮量重復實驗，整理的數據如表1所示．

圖3　氣墊導軌實驗裝置

Δx/cmκΔx2/Jt/msv/(m·s-1)mv2/J10.955.77639.890.2466.3921.209.21631.950.3099.95331.4012.54429.3170.33511.851

3　總結與反思

物理實驗是高中物理教學的重要內容，實驗的教學要注意忠于教材，但也不能拘泥于教材，而且在物理實驗中應重視學生對物理實驗的理解和探究能力．本文設計的改進實驗驗證了教材上實驗沒有完成的“只有彈力參與做功的物體系統內，動力和彈力勢能可以相互轉化，總的機械能保持不變”這句話，實現了對機械能守恒定律的全面驗證，既讓學生更全面深刻理解了機械能守恒定律，也培養了學生思考與創新的能力．

但是，改進后的實驗還是沒有考慮到重力和彈力同時做功，不受其他外力或其他外力不做功情況下的機械能守恒，這也是需要繼續思考和改進的地方．

1陳宏.驗證機械能守恒定律的創新實驗.物理教學，2012,34(3)：28～30

2李曉明，徐曉梅.高中機械能守恒定律驗證實驗的完善和拓展.物理教學探討，2012(30)：77～79

3郭建.驗證機械能守恒定律的創新方案賞析.中學生理科應試，2014(6)：48～50

4張楠.換湯不換藥——淺析驗證機械能守恒定律實驗.科技創新導報，2013(35)：92～93

2016-02-23)