验证机械能守恒定律的拓展案例-论文网

论文摘要：验证机械能守恒定律的拓展案例-论文网
论文关键词：验证,机械能,守恒定律,拓展,案例

南通市第二中学江苏南通226002

在“机械能守恒定律”的新课教学中，教材通过一个单摆的摆动引入动能与势能是可以相互转化的，并且通过观察摆球总是能摆到另一边等高的位置引出守恒量——机械能。然后教材就通过研究物体沿光滑曲面下滑的例子，应用动能定理，在理论上推导出在只有重力做功的物体系统内，动能和势能可以相互转化，而总的机械能保持不变的结论。而对于系统内弹力做功的情况，教材只是用“同样可以证明”一笔带过。在探究教学中，或是在高三一轮的实验复习中，如能充分应用教材中的素材，设计一些探究案例，则不仅可以领略理论研究和实验研究相得益彰相辅相成的妙处，更可以拓宽学生的思维领域，努力实现处处时时探究的理念。

1.单摆中机械能守恒的实验验证

本案例来源于人教版必修2教材“机械能守恒定律”这一节中引入时所用的例子，本节所用的例题也是这个单摆模型。本实验装置可以用铁夹固定在黑板上边缘，预先画出若干条水平线。

1.1演示一：单摆从某一位置由静止释放，将摆动到另一侧等高处。

说明，只要操作中注意不要形成锥摆，本实验演示效果很直观很可靠。

1.2演示二：测定每一个位置的机械能

由于演示一中只能说明始末两个位置的机械能是相等的，并不能直观说明摆动过程中每一个位置的机械能都始终保持不变，即不能说明“守恒”这一特征，所以可以通过测定任何位置的机械能来直观直接地说明机械能是否不变。以B点为例，实验中需要测定的是该位置的高度（以最低点O为零势能处）和通过该点时的瞬时速度大小。速度可以用光电门和数据采集器测量，光电门的一侧用双面胶贴好后，可直接粘在黑板上相应位置。

1.3几点说明：

①在同一次实验中，要保证砝码每次都是从同一个起始位置开始运动；

②通过实验发现，要保证实验效果，光电门摆放时要注意正对圆心即悬点位置，光电门上的小孔要正好放在摆的重心所要经过的路径上，如图1所示。

③摆锤改用砝码而不用小球，原因是使用小球时，很难保证小球重心经过光电门的小孔，即挡住光电门小孔的往往是某根弦而非直径，导致速度测量误差很大。而砝码的下半部分是圆柱体，可以保证每次经过光电门时直径是相同的，从而减少速度测量的误差。

④为进一步减小误差，在每一个位置记录时间时，要多次测量取平均值，记录经过某一位置时的平均时间，砝码的直径事先测量好，本实验所用的100g的砝码，直径为0.0205m。

⑤数据处理

设计如下表的表格：

2.弹簧振子机械能守恒的实验验证

如图4所示的装置中，弹簧连着轻滑块，滑块放在气垫导轨上，给气垫导轨充气后，滑块可以在导轨上无摩擦地运动，可以很直观地看到，在来回振动的过程中，指示用的箭头所对准的刻度左右总是相同，可见滑块运动过程中该振子系统的动能和弹性势能的总量（即该系统的机械能）是守恒的。

利用该装置也可以进行定量分析，例如在平衡位置（原长处）左侧刻度为“2cm”处放上光电门，把滑块拉开到刻度为“8cm”处，然后释放。仿照上例中记录下滑块经过光电门的时间t、滑块的宽度d、滑块离开平衡位置的距离x，代入表达式，此即为滑块在该位置的机械能。改变x的值，可以得到滑块不同位置的机械能，从而可以定量地研究振子振动过程中机械能的守恒情况。

3.用教材中验证加速度与外力和质量关系的装置来验证机械能守恒

如图5所示为必修1教材中验证牛顿第二定律的装置，利用此装置也可进行机械能守恒定律的验证。小车M在重物m的拉动下加速运动，只要验证系统减少的重力势能和系统增加的动能是否相等即可。值得注意的是，本实验中存在小车与木板间的摩擦，和纸带与打点计时器之间的摩擦以及空气阻力，平衡摩擦阻力并不能减少实验误差。因为即使平衡了摩擦力，摩擦力依然存在，系统机械能必然要损失，所以对实验结果肯定有影响，所以为了减少误差，需要尽量减小小车的质量，即要满足Mm。当然，适当抬高木板一端，可以减小摩擦力，越大，f越小。如果为90°，那么这项阻力就不存在了，所以在教材中验证机械能守恒定律所用的装置就是让重物做落体运动。

4.用教材中验证加速度与外力和质量关系的装置来验证动能定理

用上例中的装置也可进行动能定理的验证。值得注意的是，验证动能定理本来不需要平衡摩擦力，有摩擦力做功，动能定理一样可以成立，但是由于不知道小车与木板间的动摩擦系数，所以摩擦力做功这一项无法表达，因此需要平衡摩擦力。摩擦力平衡好后，对小车和重物组成的系统，做功的只有重物的重力，小车的重力做功和小车所受的摩擦力作的功抵消。所以只要验证钩码重力做的功mgh，和系统增加的动能是否在实验误差允许范围内一致即可。

正因为物理学是一门以实验为基础的学科，在高考中物理学科对物理实验及实验能力提出了特别的要求。在物理实验高三总复习中，我们应该从这些实验的原理、步骤、数据采集与处理方式上的异同，给这些实验分门别类，以多种视角重新审视和组合实验板块，培养学生实验意识，增强迁移能力。教材给我们提过了丰富的素材，充分挖掘教材中的实验素材，进行变式训练和拓展提过，才是实验复习的最佳策略，才能跟上高考实验考查“来源于教材不拘泥于教材”的原则。