驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

陳觀杰

【摘要】物理實(shí)驗(yàn)既能培養(yǎng)學(xué)生的好奇心，激發(fā)學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣，也能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力.機(jī)械能守恒定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)是高中物理的一個(gè)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新來(lái)對(duì)機(jī)械能守恒定律進(jìn)行驗(yàn)證.本文從實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)過(guò)程三個(gè)角度出發(fā)，介紹多種機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并列舉兩道典型例題，希望幫助學(xué)生打開(kāi)思維，發(fā)揮想象，從多角度驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.

【關(guān)鍵詞】機(jī)械能守恒定律；高中物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1 機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)原理 通過(guò)驗(yàn)證自由落體物體減少的重力勢(shì)能和其自由落體過(guò)程中增加的動(dòng)能相等，即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.

實(shí)驗(yàn)器材 實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，器材包括打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、電源、紙帶、復(fù)寫(xiě)紙、重物、刻度尺、鐵架臺(tái)（含夾子）、導(dǎo)線(xiàn)兩根.

數(shù)據(jù)處理 速度計(jì)算

實(shí)驗(yàn)結(jié)論 在誤差允許的范圍內(nèi)，自由落體過(guò)程機(jī)械能守恒.

注意事項(xiàng) 計(jì)算物體在某一時(shí)間點(diǎn)的瞬時(shí)速度時(shí)，應(yīng)該采用公式vn=hn+1－h(huán)n－1/2T，而不能用公式vn=2ghn或vn=gt來(lái)計(jì)算.

2 機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)誤差及改進(jìn)方法

2.1 偶然誤差

產(chǎn)生原因 測(cè)量長(zhǎng)度帶來(lái)的誤差

3 機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)原理的創(chuàng)新

（1）如圖2所示，利用壓縮彈簧推動(dòng)小球做平拋運(yùn)動(dòng)，根據(jù)平拋的位移確定球的初速度，記錄下平拋位移和彈簧壓縮量的數(shù)據(jù)，構(gòu)建二者之間的關(guān)系圖線(xiàn)，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.

（2）如圖3所示，細(xì)線(xiàn)的一端綁在小球上，另一端固定在鐵架臺(tái)上，將擺球拉到一定的高度，然后放開(kāi)，小球在擺動(dòng)的過(guò)程中，動(dòng)能和勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，利用光電門(mén)測(cè)定擺球的瞬時(shí)速度，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.

3.2 實(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)新

如圖4所示，小球在重力作用下向上豎直拋出，然后利用高頻相機(jī)拍照記錄小球位置，根據(jù)動(dòng)能和重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)換，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.

3.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程的創(chuàng)新

（1）如圖5甲所示，金屬球從A點(diǎn)自由落下，利用光電門(mén)測(cè)定金屬球下落到B點(diǎn)的速度，結(jié)合1/t2－h(huán)圖象（如圖5乙）判定金屬球下落過(guò)程中機(jī)械能守恒，同時(shí)還可以分析實(shí)驗(yàn)誤差（ΔEp－ΔEk）隨h的變化規(guī)律.

（2）如圖6所示，通過(guò)鉤碼的自由落體運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)，滑塊的瞬時(shí)速度則利用光電門(mén)進(jìn)行監(jiān)測(cè)收集，根據(jù)重力勢(shì)能和動(dòng)能的轉(zhuǎn)換，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.

4 創(chuàng)新實(shí)例

例題 某實(shí)驗(yàn)小組利用如圖7所示的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)驗(yàn)證鉤碼和滑塊所組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒.已知當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間.

（1）遮光條的寬度為d，鉤碼和滑塊的質(zhì)量分別為m1、m2，釋放時(shí)遮光條位置讀數(shù)x1，光電門(mén)位置讀數(shù)x2（x1>x2），如何驗(yàn)證系統(tǒng)的機(jī)械能守恒？

（2）將滑塊從不同位置由靜止釋放，得到多組數(shù)據(jù)，畫(huà)出v2與（x1>x2）的關(guān)系圖象為過(guò)原點(diǎn)的一條直線(xiàn)，求該直線(xiàn)斜率k的表達(dá)式.

【本文系貴港市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年度重點(diǎn)教研課題《基于核心素養(yǎng)的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的研究》（課題編號(hào)：2023176，批準(zhǔn)文號(hào)：貴教辦［2023］5號(hào)）的研究成果之一.】