淺談對機械能守恒定律的驗證

【摘 要】隨著新課改的發展和推動，在當今的高中物理教學中，實驗成為了一項非常重要的教學手法。實驗不僅能讓學生深入理解物理概念和物理知識，而且可以提高學生的動手操作能力和課本知識感知能力。本文將針對機械能守恒定律的驗證實驗進行分析和探索，希望能給廣大教師提供一些幫助。

【關鍵詞】機械能守恒;高中物理;物理實驗;實施方法

【中圖分類號】G642.477 ??????【文獻標識碼】A

【文章編號】2095-3089（2019）16-0288-02

機械能守恒定律，是高中物理教學中的一個重要板塊。也是高中生在學習物理過程中必須要進行的實驗，更是當前高中考試和升學考試中的一個熱門題型。由此可見，機械能守恒定律的驗證實驗對于高中生來講是非常重要的。在此，本文對其作出分析：

一、基本原理

教師明確給學生：每當在重力或者彈力為做功的物體系統之內，動能與勢能就能實現相互轉化和相互干預，而物體系統總的機械能則能保持不變，正常運作。

二、重物選擇

在進行實驗的時候，讓物體通過自由落體的方式下落。以研究物體自由下落過程中，動能與勢能的相互變化和干預，來驗證機械能守恒定律。

首先，教師要讓學生知道實驗存在的誤差都有哪些，如：第一是物體下落會受到空氣阻力的影響和干預。第二是自帶和打點計時器之間會產生一定的摩擦，而摩擦則會產生相應的阻力。因此，在重物自由下落的過程中，減少的重力勢能總是要大于增加的重力勢能。這時候，學生會進行思考，最終，為了讓實驗減小誤差，在允許的條件下，會采用重物質量為300g的生鐵重錘。

隨后，教師可以告訴學生：若單一驗證機械能守恒與否，則大可不必測量生鐵重錘的質量，只要滿足重力勢能的減少量與動能的增加量就能實現驗證目的。但是，若要對重力勢能減少量與動力的增加量兩者的數值進行對比，就需要利用天平精確的測出生鐵重錘的準確質量為多少。這時候學生則會明白，為什么要測出生鐵重錘的準確質量。

三、初、末位的確定

實驗之前，要認真選擇一條比較耐用的實驗紙帶，假如重物機械能守恒，重物落體的第一個時間段為0.02秒，位移為h=〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗gt2=〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗×9.8×0.022m=0.002m。這時可得出，2mm。由此可見，從紙帶開始落體的最初亮點之間時間階段大約為2mm的時候，做出的實驗效果是最好的。

假如選取生鐵重錘之后，開始的落體點為初始位置，那么初始動能就為0。在取自此之后清晰的某一點為末位置，并且以其位置將其設定為0勢能面，那么，這時候需要進行驗證的機械守恒定律的公式就是：mgh=〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗mv2了。

如，之后取下落后某點的位置，將之作為初位置，打初位置點時，生鐵重錘的動能是〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗mv21。然后，再取這一點之后清晰的某點作為末位置，并且以該位置作為0勢能面，打此點時，生鐵重錘的動能應該是〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗mv22。那么，這時候需要驗證的機械能守恒定律的公式就是：〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗mv21+mgh=〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗mv22。

四、動能與勢能測定

重力勢能的正確表達方式為mgh。H指的是初、末位置之間的距離關系。而關于動能〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗mv2里面，速度的測量時候，有一種做法是采用紙帶上的時間間隔為n，得出落體時間為0.01ns的結論，再通過v=gt這一公式得出最后的速度數據。但是因為空氣阻力的影響所產生的摩擦力，生鐵重錘在落體的加速度取g顯然是不合理的。與此同時，因為紙帶打點清晰度條件不夠，在計算落體時間階段間隔數n的時候，其準確性就會失去保障。因此，這種做法可以排除掉。而另一種方法為：利用h，根據v2=2gh來得出最終的速度數據。與之前一樣，因為空氣阻力的干擾和影響，生鐵重錘在爐體的加速度取g同樣不合理，這時候，采用需要驗證的機械能守恒定律的結論來進行速度推導，從邏輯關系方面來講，也是不正確的。最后，可以得出正確的做法為：測量出之前選定位置的前后兩點之間的距離數據，然后使用v=xn+〖SX（〗xn+1〖〗2T〖SX）〗的計算方式，將這一距離之間的落體平均速度計算出來，然后再利用落體平均速度替換瞬時速度。

五、數據處理方式

在實驗之后，要做的第一項工作就是讓學生進行測量和記錄數據，并且制作表格，把數據有規律的、整齊的排列起來。它不僅能反映出相應的物理定量和變量之間的關系以及變化情況，而且可以清晰明了的將各種數據和測量結果呈現在學生面前，讓學生更深刻的、更全面的了解其實驗方法和實驗結果。這時候，學生通過觀察和數據對比分析，就能明白機械能守恒定律的驗證結論。

教師在實驗過后，引導學生探索物理量之間的關聯時，可以把測量出的數據通過曲線統計圖的方式表述出來。統計圖不僅能突出物理變量之間的關系和函數的極值、突變以及周期性等，而且還能通過一次函數或者正比例函數來分析判斷兩個物理量之間的變量和關聯。此次實驗以〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗v2-h做出圖像是一條直線，生鐵重錘在受阻時產生的力暫時忽略，這是直線的斜率就是重力加速度g，這時候，學生就會明白生鐵重錘落體時機械能守恒的定律。

六、例題鑒賞

為了全面加強學生對課堂知識的理解，教師可采用歷年來高考題目作為參考，讓學生進行例題鑒賞。以此加強學生的物理綜合學習能力。

如：用實驗裝置進行機械能守恒定律的驗證。弧形軌道末端水平，離地高度H。鐵球從軌道h處自然釋放，落點距離軌道末端水平距離為s。這時候，學生可能這樣解題：機械能守恒定律mgh=〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗mv2，以平拋規律為準，豎直方向H=〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗gt2，水平則為s=vt，由此可得出s2和h之間為s2=4Hh。

總之，在開展高中物理課堂實驗的時候，教師要秉承著嚴謹的態度，在實驗過程中，任何有關于實驗的內容都需要就講解清楚，任何影響實驗的環境都要考慮進去。只有這樣，才能讓學生養成一種有利于學習的態度。

參考文獻

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[2]黃梅花.核心素養導向下的高效實驗課探索——以“驗證機械能守恒定律”的實驗教學為例[J].中學理科園地，2019，15（02）：49-50.

作者簡介：張斌（1989.1.9-），男，籍貫：云南石林，單位：貴州省威寧縣第九中學，職稱：中學二級，研究方向：高中物理。