機械能守恒定律教學中引入問題的改進

能量轉化守恒定律是最普遍、最重要的基本定律之一，是人們認識自然和利用自然的有力武器，其思想貫穿整個高中教材。本節教學中的引入部分包含教師演示實驗和學生觀察實驗，雖然能使學生在一定程度上做到對定律的感性認識，但筆者在教學過程中逐漸發現一個問題：書上引入小球單擺模型，很多教師以小球從圓弧上任何位置釋放都能到達等高位置這一現象，說明小球擺動過程中機械能守恒。而事實上，這只能說明擺球始末位置機械能相等，并不能證明中間任何位置機械能是否相等，因此這只是為機械能守恒提供一個事實依據，并且在一定程式度上讓學生誤解為機械能守恒就是物體運動過程中始末位置機械能相等，這種做法顯然有些不妥。對于上述問題，筆者覺得可以用以下實驗辦法來優化教學。

一、實驗一

改進書上小球擺動的實驗，用雙線擺代替單擺，因雙線擺在擺動過程中比較穩定，可以避免小球在擺動過程中的轉動問題，下部的鐵桿可根據需要調節高度。實驗裝置如下圖。

實驗1：如圖（1），讓小球從A點開始擺動。若用鐵桿在某一點擋住（如圖（2）），仍讓小球從A點開始擺動，觀察實驗結果。調節鐵桿高度，仍讓小球從A點開始擺動，觀察實驗結果。

實驗現象：圖（1）在擺動過程中，小鋼球總能回到原來的高度。如圖（2）小球雖然不能擺到點，但擺到另一側時，也能達到跟點相同的高度。改變鐵桿高度后，小球仍能達到跟點相同的高度。

實驗2：在A的左側放一吹風機，調整風力，讓風向水平向右，仍讓小球從A點開始擺，觀察實驗結果。

實驗現象：在擺動過程中，小球到達的高度總比原來高。

實驗3：在C的右側放一吹風機，調整風力，不要太大，讓風向水平向左，仍讓小球從A點開始擺，觀察實驗結果。

實驗現象：在擺動過程中，小球到達的高度總比原來低。

初步實驗結論：在沒有風力時，小球在擺動過程中重力勢能和動能在不斷轉化，但是兩者之和機械能在始末位置不變。當風力為動力時，小球達到的高度比原來高，可見，小球的機械能增加。當風力為阻力時，小球無法達到原來的高度，可見，小球的機械能減少。

設計此實驗有兩個意圖：一是可以通過研究小球在只有重力做功、除重力外有動力做功、除重力外有阻力做功等三種情況下始末位置機械能的變化，引導學生知道動能和勢能是可以轉化的，能的變化是與力做功有密切關系的。緊接著思考在實驗2、實驗3情況下機械能變化的原因，并初步領略到機械能何時發生變化。二是此實驗僅說明了物體始末位置機械能不變，從中我們可以很自然地提出如果要知道物體運動過程中任何位置機械能變化該如何做，從而激發學生思考，想出探究方法。

二、實驗二

以上面的實驗為基礎可以引入以下實驗進行定量探究。

實驗裝置如圖（3）所示，為使小球能做直線運動，將線槽PV管固定在斜面上，在斜面A、B、C、D各點放置光電門，即可測出小球通過各點的速度，再測出各點離水平面的高度HA，HB，HC，HD，進行三次實驗。

實驗1：讓小球在O點從靜止下滑，測出各點的速度，求得各點動能與勢能之和，即機械能。記下數據計算。

實驗2：在斜面上墊棉布，仍讓小球在O點從靜止下滑，測出各點的速度，求出各點的機械能。記下數據計算。

實驗3：在斜面上墊毛巾，讓小球在O點從靜止下滑，測出各點的速度，求得各點動能與勢能之和，即機械能。記下數據計算。

完成以上實驗后，再給學生每人一張坐標紙，以機械能為縱坐標，小球位移為橫坐標，畫出機械能與位移的圖像（如圖（4））。將三條圖線放在同一圖中觀察并互相討論，從這三條圖線中可以發現摩擦系數越小，機械能損失越少，圖線越接近水平線。結合實驗思想，即可得到結論：當摩擦系數為零時，機械能不變，圖線為水平線。接下去再進行理論推導就水到渠成了。

本實驗可定量測出物體運動過程中任意點的機械能，直觀地展示了除重力外其他力做功對物體機械能的影響，有效彌補了單擺實驗中只能定性測量的不足。實驗過程中可以通過學生自己動手操作，引導他們思考如何定量測定物體的機械能、機械能減少的原因、數據處理方法等問題，使學生學會思考。同時，這樣的實驗設置把學生放在動態、開放、生動、多元的環境中，讓學生經歷了科學的探究過程，教學的實效性得以充分實現。

更重要的是，學生在經歷真實數據的分析處理之后，更能理解做功實現了能量轉化，明白重力做功只是引起物體的動能與重力勢能的相互轉化，并不改變物體機械能的特點，知道了當其他力做功越多時，機械能減少也越多，很自然就得到了機械能守恒的條件。雖然此實驗沒有涉及彈力，但是在學生充分理解以上實驗之后，再結合重力做功與彈力做功的相同點，能明白物體只在彈力做功下機械能也是守恒的這樣一個道理。