淺談驗證機械能守恒定律的兩種方法

摘 要能量守恒定律是自然界中普遍規律，是學生認識自然、掌握自然規律的重要工具。能量轉化和能量守恒貫穿到整個高中物理課程，機械能守恒定律是高中物理中首次涉及到多種形式能量的定律，與其他能量守恒定律相比，機械能守恒定律不涉及到物理的運動過程中，看起來比較簡單，但是學起來并不輕松。本文主要對擺球法和落體法這兩種驗證方法進行對比，找到兩者各自的優勢和劣勢。

【關鍵詞】機械能守恒定律；擺球法；落體法

物理是一門實驗性很強的學科，實驗在物理學習中占據重要位置，驗證機械能守恒定律是高中物理學習中重要的一個實驗。物體在重力做功自由落體運動中，物體的重力勢能轉化為動能，但是物體的總機械能保持不變。如果物體某一個瞬間速度是v，下落高度是h，那么物體的重力勢能減少量為mgh，動力增加量為

mv2，那么檢查兩者之間實驗誤差允許范圍是否相等，如果相等這證明機械能守恒定律。本文通過兩種實驗驗證機械能守恒定律，并對比兩種方法的優劣。

1 落體法

1.1 實驗器材

鐵架臺、電源、復寫紙、導線、毫米刻度尺、打點計時器、重物等等。

1.2 實驗步驟

第一步安裝器材，將打點計時器固定在鐵架臺上，用導線將打點計時器與低壓電源連接。

第二部打紙帶用手豎直提起紙袋，然后將重物停靠在打點計時器下方，接通電源以后才能松開紙帶，讓重物做自由落體運動，打點計時器在紙帶上打出一系列的點，然后將紙帶取出來，換上新的紙重打3-5條紙帶。

第三步選紙帶。如果選擇第1點0下落到某一個點的過程，那么就用mgh=

mv2來驗證，選擇點跡清晰，兩點間距小于或者接近2mm的紙帶。如果用為

mvB2_mvA2=mg△h進行驗證時，則要選擇適當的點作為基準點，這樣指紙帶上兩點之間的距離是否小于或者接近2mm都不重要了。

1.3 實驗結果

如果驗證動能的增加量和重力勢能的減少量在允許誤差范圍之內，則證明了機械能守恒定律。

2 擺球法

2.1 實驗器材

計算機、鐵架臺、DISLab數據采集器、DISLab機械能守恒實驗器、光電門傳感器等等

2.2 實驗步驟

第一步：安裝好DISLab機械能守恒實驗器，將光電門傳感器接入到數據采集器中，然后用磁鐵吸住小擺球，固定在A點固定在上方的5-10cm處，移動光電門傳感器的固定臂，使用測平器觀察并調整光電門的透光孔，將其調節到A點。

第二步：測量DISLab機械能守恒實驗器擺錘的直徑和質量，并將采集的數據輸入到軟件下方的表格中。

第三步：將磁鐵固定在DISLab機械能守恒實驗器的A點，然后將光電門分別固定在B、C、D點。

第四步：打開計算機通用軟件中的計算表格，打開菜單欄的自動記錄那一欄，點擊開始后釋放擺球，擺球通過光電門感應器后會阻止擺球回擺，光電門自動記錄擺球的速度。

第五步：移動光電門的位置，將光電門分別在B、C、D點進行實驗，得到這三點的擺球速度。

第六步：點擊計算機應用軟件中的數據計算，分別得到擺球在B、C、D點三個點的動能、勢能以及機械能。如表1所示。

2.3 實驗結果

通過上述表格可以看出，擺球在A、B、C、D四個點的機械能變化很小，在允許的誤差范圍5%之內，所以得出以下結論，當物體在重力做功的情況下，機械能守恒，證明機械能守恒定律。

3 擺球法與落體法兩種實驗方法的優缺點

3.1 擺球法優劣勢

3.1.1 擺球法的優勢

擺球法的實驗時間比較端，節省了實驗時間。其次，擺球法通過計算機顯示屏可以讓大家直觀看到擺錘的擺動的瞬時速度，電腦同時記錄了擺球的速度以及相關信息，形成比較直觀、深刻的實驗效果。擺球法直觀性和實時性比較強，能夠讓學生真正感受到科學實驗的情景，從而提高大家實驗的積極性。最后，擺球法使用了光門傳感器、計算機應用軟件、數據采集器等現代化信息技術，能夠拓展大家的知識面。

3.1.2 擺球法的劣勢

擺球法實驗綜合性比較強，涉及到信號采集、模擬信號、數字信號以及非電學來那個的轉換等等，對學生實驗綜合素質要求比較高，所以在實驗過程中，很多同學很容易感到手忙腳亂，顧此失彼，影響到整體實驗效果。

3.2 落體法優劣勢

3.2.1 落體法的優勢

落體法相對來說比較簡單，學生掌握起來也比較容易。落體法主要培養學生的觀察能力、使用儀器設備的能力、計算能力、利用數學知識解決物理問題的能力。

3.2.2 落體法的劣勢

落體法的電磁打點計時器在實驗過程中與紙帶有摩擦，很容易影響到打點質量，導致紙帶上的點比較拖沓，影響到處理精度，導致實驗誤差大，無法驗證機械能守恒定律。

4 總結

從上述實驗可以看出，落體法和擺球法這兩種驗證方法都各有優勢和劣勢。擺球法充分利用了現代信息技術，提高了實驗的便利性和準確性，但是實驗方法比較復雜，增加了學生實驗的難度。落體法這種比較傳統的實驗方法簡單，但是花費時間長。所以在實驗過程中，要根據實際情況，選擇合適的實驗方法。

參考文獻

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作者單位

湖南廣益實驗中學 湖南省長沙市 410000