用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證系統(tǒng)機(jī)械能守恒定律

沈 軍

(南通大學(xué)附屬中學(xué) 江蘇 南通 226001)

圖1

以下是利用氣墊導(dǎo)軌和光電門(mén)進(jìn)行系統(tǒng)機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，采用的器材有氣墊導(dǎo)軌、光電門(mén)、數(shù)字計(jì)時(shí)器、墊高片、天平.

1 氣墊導(dǎo)軌調(diào)節(jié)水平

實(shí)驗(yàn)中首先需要進(jìn)行氣墊導(dǎo)軌的水平調(diào)節(jié).將氣墊導(dǎo)軌放置在水平桌面上，安裝好光電門(mén)，讓兩個(gè)光電門(mén)的距離相距40 cm，此距離即為后續(xù)計(jì)算中鉤碼下落的距離.打開(kāi)氣源，輕推滑塊，如果滑塊通過(guò)兩個(gè)光電門(mén)的時(shí)間相同，則氣墊導(dǎo)軌水平調(diào)節(jié)完成，在實(shí)際操作中，如果通過(guò)兩個(gè)光電門(mén)的時(shí)間相差小于5%，就可以認(rèn)為水平調(diào)節(jié)完成.

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

水平調(diào)節(jié)完成后，用5 g的鉤碼拉動(dòng)滑塊，通過(guò)兩個(gè)光電門(mén)后，數(shù)字計(jì)時(shí)器顯示出滑塊經(jīng)過(guò)兩個(gè)光電門(mén)的速度，輸入Excel進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如表1所示.

表1 數(shù)據(jù)記錄 g=9.80 m/s2

從結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，不計(jì)入鉤碼的動(dòng)能，誤差在8.7%左右，如果計(jì)入鉤碼的動(dòng)能，則誤差在6.1%，符合實(shí)驗(yàn)要求.

3 問(wèn)題討論

但對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，僅從直觀(guān)的數(shù)據(jù)看，有學(xué)生認(rèn)為這個(gè)鉤碼的動(dòng)能不計(jì)，也基本能證明守恒，數(shù)據(jù)的差值可能還是阻力的影響.此時(shí)，也可能會(huì)有學(xué)生提出，在探究加速度與力和質(zhì)量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中，如果滑塊的質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼的質(zhì)量，可以近似認(rèn)為鉤碼的重力就是繩子上的拉力，那么，這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，鉤碼的動(dòng)能是否可以忽略呢？

4 再次驗(yàn)證

換用50 g的鉤碼，再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) g=9.80 m/s2

從這組數(shù)據(jù)可以看出，如果不計(jì)入鉤碼的動(dòng)能，則計(jì)算的偏差為24%，正確算法的結(jié)果誤差為2.7%，符合實(shí)驗(yàn)要求.從這里可以讓學(xué)生清楚地認(rèn)識(shí)到系統(tǒng)機(jī)械能守恒不能缺少鉤碼的動(dòng)能.

5 拓展研究

在前面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步把氣墊導(dǎo)軌的一端墊高(墊高15 mm)，這樣滑塊滑行時(shí)重力勢(shì)能也會(huì)減小，而這部分勢(shì)能往往也是學(xué)生容易遺漏的，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示.

可以發(fā)現(xiàn)，如果不計(jì)入滑塊減少的勢(shì)能，偏差為43%，正確的結(jié)果誤差為4.5%.這個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己對(duì)系統(tǒng)機(jī)械能守恒認(rèn)識(shí)上的問(wèn)題，從而讓學(xué)生能夠正確地認(rèn)識(shí)系統(tǒng)機(jī)械能守恒的相關(guān)模型.

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) g=9.80 m/s2

6 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)利用的是實(shí)驗(yàn)室的基本儀器，采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)際教學(xué)中無(wú)需另加時(shí)間，利用正常教學(xué)時(shí)間，學(xué)生就可以直觀(guān)地發(fā)現(xiàn)自己的問(wèn)題所在，糾正錯(cuò)誤.這樣既讓學(xué)生在有限的時(shí)間里動(dòng)手動(dòng)腦，又促進(jìn)了對(duì)書(shū)本知識(shí)的鞏固、掌握.