淺談高中物理機械能守恒實驗的設計

劉軒維

摘? 要 以教材中的機械能守恒實驗為例，對機械能守恒實驗設計、實驗內容、注意事項等進行探究，深入分析機械能守恒實驗中的操作要點及難點。

關鍵詞 機械能守恒;實驗;高中物理;實驗裝置

中圖分類號：G633.7??? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）19-0127-03

1 前言

高中物理實驗具有引導性、多元性和開放性特點，對提升學生的物理知識和能力水平具有重要作用。隨著開放性教學體系的構建，物理實驗課堂有了更加廣泛的操作空間和探究空間。在實驗過程中可以從不同的角度出發，對實驗內容進行拓展，探究不同裝置下的實驗效果，以全面提升物理實驗效益。在機械能守恒實驗中就對其實驗裝置進行了優化和完善，大大提升了機械能守恒實驗驗證的時效。

2 機械能守恒實驗的主要內容

機械能守恒是指在只有重力（或彈力）做功的情況下，物體的重力勢能（或彈性勢能）和動能發生相互轉化，但總機械能保持不變。在機械能守恒定律運用過程中需要保證：在系統內部只有重力和彈簧力做功，除重力和彈簧力以外的做功均不可認為機械能守恒，即除重力和彈簧力以外的力做功其代數和應為零;要保證系統內只有動能和勢能的相互轉化，并且保證其轉化量相等，這樣才符合機械能守恒定律。

尤其是在機械能守恒實驗過程中，要把握好上述原理，依照該原理開展實驗設計，做好動力勢能與重力勢能或彈性勢能的分析及相關實驗裝置設計;要對動能和重力勢能的變化進行合理研究，通過實驗裝置測定物體的動能及勢能狀況，對兩者求和，確定其機械能的變化狀況;要對外部環境因素進行把握，最大限度降低外部環境因素對實驗的影響，尤其是摩擦力、空氣阻力大等對動力勢能及重力勢能的影響，這樣才能夠保證機械能守恒實驗的準確性。

3 機械能守恒實驗的設計方案

設計原理? 本次實驗過程中要對各個裝置的功能進行明確。首先，通過天平對物體的質量進行測量，并依照該質量數據和重物下落的高度計算重物的重力勢能。其次，將重物與紙帶連接，以紙帶下落過程中打點計時器在紙帶上留下的點的位置代替重物下落的高度，從而避免測量重物下落過程中可能出現的定位問題及誤差。以紙帶下落高度代替重物下落高度更加便于測量，在一定程度上降低了機械能守恒實驗的難度。最后，使用打點計時器在紙帶上定時（0.2 s/次）進行打點，這樣紙帶上的計數點的瞬時速度都可以進行計算，從而得到重物下落過程中的動力勢能，以驗證僅在重力做功下系統是否機械能守恒。

設計要點? 實驗開展的過程中要先準備實驗裝置，其包括秒表、紙帶、刻度尺、天平、打點計時器、復寫紙片、導線、電、帶有鐵夾的鐵架臺、重錘、電源等。運用這些裝置進行機械能守恒實驗的設置，其具體狀況見圖1。

這是課本中的機械能守恒實驗裝置，該裝置內容較為簡單，能夠直觀看到重物下落狀況并運用打點計時器對重物運動進行記錄，是機械能守恒驗證的重要方案，其具體操作內容及注意事項見表1。

對上述操作步驟進行分析后可以發現：實驗選用儀器的實際性能在一定程度上無法滿足機械能守恒定律實驗要求。這主要是由于鐵夾夾住打點計時器的過程中很容易出現振動，其穩定性較差導致。在該實驗時容易出現紙帶脫落或位置偏移等，導致實驗結果出現嚴重誤差。

從圖1中可以發現，在機械能守恒實驗開展過程中，鐵架上固定的是打點計時器，該鐵夾為一般的單軸夾，穩定性較差。尤其是在松開紙帶向下移動的過程中，打點計時器需要不斷在紙帶上面打點，鐵夾固定效果較差，存在一定的震動。通過實驗測定打點計時器打點中產生的作用力為2 N，而鐵夾穩定狀態下可承受力的最大值為1.8 N，鐵夾夾住打點計時器時肉眼觀察存在明顯的震動。對其打點出來的位置進行對比分析后發現：打出的點的間距小于實際的自由落體運動的位置間距。這是由于打點計時器振動與紙面出現摩擦導致，實驗結果存在明顯的誤差。

而通過松手讓紙帶自由下落這一方式，在實際操作過程中也很容易出現操作問題。手提起紙帶釋放的過程中很難保證手的穩定，在松手的一瞬間，紙帶很容易出現偏離，造成紙帶與打點計時器之間存在摩擦，從而影響打點計時器打點位置的準確性。除此之外，在實驗過程中發現，用手松開紙帶讓其自由下落這一實驗方式，很容易造成紙上前段點的位置無法確認。一般實驗中第一個點為一堆點，而第二、第三個點確定時卻很難判斷紙帶運動位置。

課本上為了解決上述問題，選擇將后面部分劃分為第四、第五、第六部分，將前面部分劃分為第一、第二、第三部分，形成前后兩個部分進行計算。這種方法操作較為簡便，但無法對前面點進行準確分析，在實驗過程中有待改進。

設計難點? 為進一步提升機械能守恒實驗的可操作性，在實際實驗過程中對機械能守恒實驗的裝置進行了調整。操作過程中可以將單支架改變為雙支架，在原有的左側支架右側重復固定另一支架，對打點計時器進行穩定，以減小打點計時器震動對實驗造成的影響。除此之外，在兩支架中設置夾子，用夾子夾住紙帶，從而避免用手直接松開紙帶造成的紙帶位置偏移。在實驗操作過程中，只要將兩支架中心的夾子松開，即可讓紙帶自由下落，以最大限度減少人為操作對實驗的影響。在設置夾子過程中，操作時可以先進行實驗，觀察夾子和紙之間是否存在摩擦，一定要保證夾子和紙帶垂直下落的位置在豎直平面上且呈現90°角。

完成上述裝置改進后，將實驗中獲得的各項數據填入數據表格中，進行重物下落過程中重力勢能和動能的計算驗證，確定其動能及重力勢能的和數值是否發生改變，對機械能守恒狀況進行分析，具體狀況見表2。

4 機械能守恒實驗的拓展

隨著物理學習內容的逐漸深入，可以發現機械能守恒實驗可以轉變成多種形式的實驗內容。在實驗開展過程中需要在傳統實驗基礎上進行改進和拓展，對機械能守恒的不同形式進行合理分析。尤其是在操作中需要對各項環境下的機械能守恒進行驗證，把握好機械能守恒的性質，這樣才能夠從根本上提升對機械能守恒的認識，實現機械能守恒問題的高效處理。

實驗小組在機械能守恒實驗開展時對教師講解的內容進行整理和分析，結合生活中常見情景構建拓展實驗內容，其具體狀況見圖2。

第一套實驗裝置主要是驗證砝碼運動過程中的機械能守恒，對砝碼自由下降過程中其重力勢能和動力勢能的變化進行研究。松開細線后，砝碼自由下落，通過光電門和擋光條滑塊計算砝碼下降的速度，使用導軌標尺對砝碼下降的位移進行計算，從而得到機械能守恒實驗中所需的數據。操作過程中需要最大限度降低細線與滑輪之間的摩擦力，這樣才能夠保證系統機械能守恒。

第二套實驗裝置中以垂直下落的位置和水平下落的位置來確定小球的速度。在該基礎上計算小球的動力勢能，并依據小球下落的高度計算小球的重力勢能，判斷小球在只受重力做功下是否機械能守恒。實驗操作難度較大，但可以將以前學習到的平拋運動與機械能守恒定律結合在一起，有助于探究上述知識之間的關聯，這對于日常物理知識的學習具有至關重要的作用。

在以上實驗過程中要做好各項實驗裝置的設計，最大限度避免可能出現的人為操作誤差。以機械裝置代替人為操作，從而保證得到數據的準確性，從根本上提升對機械能守恒的認識，提高物理學習素養。

5 結語

物理實驗的目的是提升認知，拓展思維。在機械能守恒實驗開展過程中，可以對課本中的實驗進行拓展，結合已學到的知識形成新型的機械能守恒驗證裝置，進行自主探究和問題處理。尤其是在機械能守恒實驗開展時，能夠集思廣益，將課本中的裝置轉變為更加便捷的實驗裝置，真正實現理論學習和實踐操作的整合，全面促進個人學習和發展。

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