驗證機械能守恒定律的實驗設計

湖北省襄陽市襄州區第二高級中學 呂 俊 王正香

驗證機械能守恒定律實驗是人教版必修二第七章第九節的內容，在此節中，運用了小球自由下落的模型來驗證“只有重力做功時，小球機械能是否守恒，若守恒，必然滿足重力勢能的減少量等于動能的增加量，即mgh=mv2/2”，在這個實驗中需要利用打點計時器來得到h，進而計算得到v。

紙帶的處理中，h1、h2、h3……的測量會有偶然誤差，v需要計算，數據不特殊，計算復雜，小球下落過程存在不可避免的空氣阻力，紙帶與限位孔之間的摩擦，所以此種實驗方案存在一定的弊端。

經過反復思考和不斷地探究，我將此實驗方案進行重新設計，方案如下：

一個小球在拉力的作用下（懸點固定）由靜止釋放，在豎直平面內做圓周運動。設繩子長為R，初始時刻繩子與豎直方向夾角為α，從初狀態到最低點的過程中，重力勢能的減少量為ΔEp=mgR(1-cosα)，動能的增加量為 ΔEk=mv2/2，若機械能守恒：ΔEp=ΔEk，

即：mgL(1-cosα)=mv2/2 （1）

L與α的測量還相對簡單，復雜的是如何去測量最低點的速度v，這里我引入了力傳感器，用力傳感器去測量繩子的拉力T,在最低點繩子拉力最大，所以根據計算機中的數據很容易拉力的最大值，也就是小球在最低點時受到的T，

根據T-mg=mv2/L得到最低點的v

結合（1）式化簡就可以得到

T=mg(3-2cosa) （2）

T已得到，要想驗證此等式是否成立，還要測量mg及小球釋放時的а。

通過小球靜止時用力傳感器測mg，用量角器測量a,為了減小實驗誤差，а應較小，這樣速度小了空氣阻力影響就小，但是a也不宜太小，以免計算復雜。

若將 a=60°,代入（2）式，則 T=2mg。這就是我們最終需要驗證的等式。

此實驗設計的優點在于：

1.測量的物理量少，繩子拉力T的最大值和mg。

2.所需儀器少且精確，誤差小。

3.無計算降低了實驗難度。

物理實驗是研究物理問題的重要手段，而且也是學習物理重要方法，通過實驗可以更好的理解物理規律，所以實驗是非常重要的，我們要把實驗設計得更好，在這個實驗設計中，完美地將不能直接測量的物理量v轉變為直接測量的物理量拉力T，這種間接測量的物理思想貫穿整個高中，當然這也要求學生有較深厚的物理功底，較全面的物理知識體系，較嚴謹的邏輯思維能力，較強的動手能力。

通過實驗驗證，體會到學習的快樂，激發學習的興趣，通過親身實踐，樹立實踐是檢驗真理的唯一標準的科學觀，培養學生的觀察和實踐能力，培養學生實事求是的科學態度。同時，我們的高中物理實驗教學必須不斷地創新和進步，不斷改良其中的弊端和問題，只有這樣才能通過高中物理實驗進一步激發學生的學習興趣，培養其探究習慣和動手能力，為將來更深奧的學習打下堅實的基礎。

[1]邢紅軍.論科學技術發展與中學物理課程改革[J].中學物理教考，1998年第4期.

[2]陶洪.物理實驗論[M].南寧：廣西教育出版社，1996.