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

張彥明

械能守恒在整個中學(xué)物理教學(xué)中非常重要，它給學(xué)生一個新的視角，用守恒的思想去解決動力學(xué)問題，在整個自然科學(xué)領(lǐng)域，守恒是一種非常重要的研究問題的方法，能量守恒、電荷守恒、質(zhì)量守恒、機(jī)械能守恒、動量守恒，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)計時器結(jié)合自由落體運(yùn)動來驗(yàn)證機(jī)械能守恒的，實(shí)驗(yàn)簡單易行，但有如下不足：（1）誤差相對較大只能精略大致進(jìn)行驗(yàn)證；（2）區(qū)限性較大，自由落體是直線運(yùn)動，直線運(yùn)動中機(jī)械能守恒，曲線運(yùn)動中守恒嗎？（3）不便于不學(xué)生課外自主探究。該實(shí)驗(yàn)受打點(diǎn)計時器的限制，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)動動去驗(yàn)證機(jī)械能守恒。

一、機(jī)械能守恒簡介

1.機(jī)械能守恒的條件：只有重力或者是彈力做功。

2.機(jī)械能守恒的三個表達(dá)式（沒有彈性勢能參與時）

假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)有兩個對象，則對象1機(jī)械能的減小量等于對象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

2.實(shí)驗(yàn)簡介

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，從靜止開始釋放小球，單擺從A向B運(yùn)動，當(dāng)運(yùn)動到B點(diǎn)時懸掛小球的細(xì)線在此處被通電的電熱絲燒斷，水平向外飛出做平拋運(yùn)動，落到鋪有復(fù)寫紙的地面上C點(diǎn)，然后分別測量出小球從A運(yùn)動到C的過程中下落的高度h1、小球做平拋運(yùn)動的高度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）下落高度的測量

得用刻度尺測量出小從A點(diǎn)運(yùn)動到B點(diǎn)是下落的高度h1。

（2）速度的測量

小球運(yùn)動到最低B點(diǎn)時線剛好被燒斷，小球從B點(diǎn)開始做平拋運(yùn)動，在地上鋪上白紙與復(fù)寫紙，記錄下小球落到地上時的置C，然后測用重垂線找到小球在B點(diǎn)是在地面的投影點(diǎn)D，并利用刻度尺測量出B點(diǎn)距地面的高度h2與B點(diǎn)離C點(diǎn)距離x2，為減小實(shí)驗(yàn)的誤差應(yīng)多次實(shí)驗(yàn)反復(fù)測量h2與x2的值，并求出平均值這樣可以減少偶然誤差，提高實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確程度，然后運(yùn)動平拋運(yùn)動的規(guī)律可知小球運(yùn)動到B點(diǎn)時的瞬時速度為：

h2=■gt2 （1）

x2=vBt （2）

由（1）（2）式可知小球運(yùn)動到B點(diǎn)時的瞬時速度為：

vB=x2■

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)原理化簡可得：h1=0.25x22/h2，

通過測量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)計的實(shí)驗(yàn)的過程機(jī)械能首先要守恒，通過分析兩個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)計符合要求。

誤差分析：

①偶然誤差：用刻度尺測量三個長度，由于估讀，引入偶然誤差，采用多次測量求平均值的方法減少該誤差。

②系統(tǒng)誤差：測量過程中測量儀器精度會引入系統(tǒng)誤差，減少系統(tǒng)誤差的方法可能根據(jù)測量的需要，選擇合適的測量儀器。

小球的選擇也會引入誤差，因?yàn)樾∏蛟谶\(yùn)動中受周圍空氣的影響，會損失少量的機(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)生在課外探究時有很大的空間，同時可鞏固平拋運(yùn)動，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)生的動手能力，通過本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計，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，去設(shè)計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.單擺無論用什么方法使線斷掉，都會損失一小部分機(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)線比較麻煩，并且不能保證更換后單擺的擺長每次都相等，從而人為的引入實(shí)驗(yàn)的誤差。

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

根據(jù)以上出現(xiàn)的問題，我覺得應(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始下落，測出小球在軌道上下落的高度然后測出小球從軌道上飛出去后做平拋運(yùn)動的高度與遠(yuǎn)度。

通過改進(jìn)以后，實(shí)驗(yàn)操作起來更加容易，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)時間。