例談驗證機械能守恒定律實驗的兩種構想和幾種方法

上海

虞利剛

例談驗證機械能守恒定律實驗的兩種構想和幾種方法

虞利剛

驗證機械能守恒定律實驗是高中物理實驗中的最熱點之一，在各地考綱中都有，所以復習中要認真對待，理清各種思路，依托教材原型有機拓展創新。

對于機械能守恒的條件，可以從兩個角度判斷：從做功的角度看，只有重力或彈簧的彈力做功或系統內的彈力做功，機械能守恒；從能量的角度看，只有系統內動能和勢能的相互轉化，沒有機械能與其他形式能量之間的轉化，機械能守恒。所以，在具有精確性、安全性、可操作性的前提下，只要滿足上述條件，就都可以創設有效的命題內容，以考查學生的實驗能力。

構想一:以單個物體為對象，創設情景追尋守恒量

1.利用落體法驗證機械能守恒定律

【例1】(2016·濟南外國語學校模擬)某同學用如圖1甲所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律。實驗所用的電源為學生電源，可以提供輸出電壓為6 V的交變電流和直流電，交變電流的頻率為50 Hz。重錘從高處由靜止開始下落，重錘拖著的紙帶上打出一系列的點，對紙帶上的點測量并分析，即可驗證機械能守恒定律。

(1)他進行了下面幾個操作步驟：

A.按照圖1甲示的裝置安裝器件；

B.將打點計時器接到電源的“直流輸出”上；

C.用天平測出重錘的質量；

D.先接通電源，后釋放紙帶，打出一條紙帶；

E.測量紙帶上某些點間的距離；

F.根據測量的結果計算重錘下落過程中減少的重力勢能是否等于其增加的動能。

(3)由關系式v2=2gh可知，v2-h圖象應是過原點的傾斜直線，故選C。

(5)該實驗產生誤差的原因是空氣阻力和紙帶與限位孔之間的摩擦力影響，因此實驗進行改正后的主要優點是沒有紙帶與打電計時器間的摩擦影響，實驗誤差減小了。

【思考】(1)利用本例裝置，你能求出當地的重力加速度嗎？你能用此裝置驗證動能定理嗎？

(2)本例中換用了光電門，減小了阻力，減小了系統誤差，請問，能否將物體豎直上拋，驗證機械能守恒定律？

2.利用圓周運動驗證機械能守恒定律

圖2

A.鋼球在A點時的頂端

B.鋼球在A點時的球心

C.鋼球在A點時的底端

(3)下表為該同學的實驗結果：

ΔEp(×10-2J)4．8929．78614．6919．5929．38ΔEk(×10-2J)5．0410．115．120．029．8

他發現表中的ΔEp與ΔEk之間存在差異，認為這是由于空氣阻力造成的。你是否同意他的觀點？請說明理由。

(4)請你提出一條減小上述差異的改進建議。

【解析】(1)要測量小球下落的高度，應測量開始位置小球的球心到小球在A點時球心的豎直距離，B項正確。

(3)由于空氣阻力的存在，小球下落過程中在克服空氣阻力做功，因此動能的增量會小于重力勢能的減少量，而表格中數值表明是動能的增加量大于重力勢能的減少量，顯然誤差不是由于空氣阻力造成的，是由于遮光條在小球的下面，測得的速度比小球的實際速度大造成的。

【答案】(1)B (2)1.50(1.49～1.51) 1.50(1.49～1.51都算對) (3)見解析 (4)見解析

【點悟】(1)本例最后一問設計巧妙，利用了遮光條、小球同軸轉動一起做圓周運動，角速度相同分析速度進而分析誤差。

(2)小球做圓周運動問題中，也可能出現圖象問題，此時要理清機械能、動能、重力勢能與小球高度的關系。

3.利用平拋運動驗證機械能守恒定律

【例3】一同學在學習了機械能守恒定律后，認為小球沿豎直光滑曲面自由下滑的過程機械能是守恒的，于是設計了如圖3所示的實驗裝置想加以驗證。圖中曲面固定，底端B處切線水平且與桌的右邊緣相齊。他的實驗步驟如下：

圖3

a.在木板表面先后釘上白紙和復寫紙，并將木板豎直立于靠近桌子右邊緣處，使小球從曲面上某點A由靜止釋放，撞到木板并在白紙上留下痕跡O。

b.將木板向右平移適當的距離固定，再使小球由A點靜止釋放，撞到木板上得到痕跡P。

c.測出OP的距離y，豎直木板向右移動的距離L，查出當地重力加速度g。

。

(3)小球運動過程中要受以摩擦阻力和空氣阻力，因此機械能減小。

【點悟】本例中的(2)問可以作為一個重要的二級結論，也就是說小球先做圓周運動再做平拋運動，滿足L2=4yh，機械能守恒，該設計裝置簡單易操作，所以大家還可以進一步從誤差角度分析，如阻力做功，小球從凹面上滑下時小球的滾動能量及摩擦阻力等。另外將木板水平放置也可以留跡驗證，具體做法大家可以積極參與探討。

構想二、以連接體為對象，創設情景追尋守恒量

(2)另一同學用一傾斜的固定氣墊導軌來驗證機械能守恒定律。如圖4乙所示，質量為m1的滑塊(帶遮光條)放在A處，由跨過輕質定滑輪的細繩與質量為m2的鉤碼相連，導軌B處有一光電門，用L表示遮光條的寬度，x表示A、B兩點間的距離，θ表示氣墊導軌的傾角，g表示當地重力加速度。

圖4

圖5

【解析】(1)該同學的想法不正確，理由是：有摩擦力做功就不滿足機械能守恒的條件。

【答案】(1)不正確 有摩擦力做功就不滿足機械能守恒的條件。

上海市七寶中學)

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