驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

陳觀杰

【摘要】物理實(shí)驗(yàn)既能培養(yǎng)學(xué)生的好奇心，激發(fā)學(xué)生對物理學(xué)習(xí)的興趣，也能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力.機(jī)械能守恒定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)是高中物理的一個(gè)開放性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以充分發(fā)揮主觀能動性，對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新來對機(jī)械能守恒定律進(jìn)行驗(yàn)證.本文從實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)過程三個(gè)角度出發(fā)，介紹多種機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并列舉兩道典型例題，希望幫助學(xué)生打開思維，發(fā)揮想象，從多角度驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.

【關(guān)鍵詞】機(jī)械能守恒定律；高中物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1 機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)原理 通過驗(yàn)證自由落體物體減少的重力勢能和其自由落體過程中增加的動能相等，即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.

實(shí)驗(yàn)器材 實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，器材包括打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、電源、紙帶、復(fù)寫紙、重物、刻度尺、鐵架臺（含夾子）、導(dǎo)線兩根.

數(shù)據(jù)處理 速度計(jì)算

實(shí)驗(yàn)結(jié)論 在誤差允許的范圍內(nèi)，自由落體過程機(jī)械能守恒.

注意事項(xiàng) 計(jì)算物體在某一時(shí)間點(diǎn)的瞬時(shí)速度時(shí)，應(yīng)該采用公式vn=hn+1－h(huán)n－1/2T，而不能用公式vn=2ghn或vn=gt來計(jì)算.

2 機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)誤差及改進(jìn)方法

2.1 偶然誤差

產(chǎn)生原因 測量長度帶來的誤差

3 機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)原理的創(chuàng)新

（1）如圖2所示，利用壓縮彈簧推動小球做平拋運(yùn)動，根據(jù)平拋的位移確定球的初速度，記錄下平拋位移和彈簧壓縮量的數(shù)據(jù)，構(gòu)建二者之間的關(guān)系圖線，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.

（2）如圖3所示，細(xì)線的一端綁在小球上，另一端固定在鐵架臺上，將擺球拉到一定的高度，然后放開，小球在擺動的過程中，動能和勢能相互轉(zhuǎn)化，利用光電門測定擺球的瞬時(shí)速度，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.

3.2 實(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)新

如圖4所示，小球在重力作用下向上豎直拋出，然后利用高頻相機(jī)拍照記錄小球位置，根據(jù)動能和重力勢能的轉(zhuǎn)換，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.

3.3 實(shí)驗(yàn)過程的創(chuàng)新

（1）如圖5甲所示，金屬球從A點(diǎn)自由落下，利用光電門測定金屬球下落到B點(diǎn)的速度，結(jié)合1/t2－h(huán)圖象（如圖5乙）判定金屬球下落過程中機(jī)械能守恒，同時(shí)還可以分析實(shí)驗(yàn)誤差（ΔEp－ΔEk）隨h的變化規(guī)律.

（2）如圖6所示，通過鉤碼的自由落體運(yùn)動帶動滑塊運(yùn)動，滑塊的瞬時(shí)速度則利用光電門進(jìn)行監(jiān)測收集，根據(jù)重力勢能和動能的轉(zhuǎn)換，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.

4 創(chuàng)新實(shí)例

例題 某實(shí)驗(yàn)小組利用如圖7所示的實(shí)驗(yàn)裝置來驗(yàn)證鉤碼和滑塊所組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒.已知當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間.

（1）遮光條的寬度為d，鉤碼和滑塊的質(zhì)量分別為m1、m2，釋放時(shí)遮光條位置讀數(shù)x1，光電門位置讀數(shù)x2（x1>x2），如何驗(yàn)證系統(tǒng)的機(jī)械能守恒？

（2）將滑塊從不同位置由靜止釋放，得到多組數(shù)據(jù)，畫出v2與（x1>x2）的關(guān)系圖象為過原點(diǎn)的一條直線，求該直線斜率k的表達(dá)式.

【本文系貴港市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年度重點(diǎn)教研課題《基于核心素養(yǎng)的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的研究》（課題編號：2023176，批準(zhǔn)文號：貴教辦［2023］5號）的研究成果之一.】