驗證機械能守恒實驗創(chuàng)新題賞析

周志文

從近幾年的高考實驗題來看，強化了實驗設計和實驗創(chuàng)新的考查，著重考查學生基本技能、創(chuàng)新能力和實驗素養(yǎng)，實驗創(chuàng)新題已成為高考命題的一種趨勢和潮流.現(xiàn)列舉幾道考查“驗證機械能守恒定律實驗”的創(chuàng)新題，供賞析.

圖1題1(2011年海南高考題)現(xiàn)要通過實驗驗證機械能守恒定律.實驗裝置如圖1所示：水平桌面上固定一傾斜的氣墊導軌；導軌上A點處有一帶長方形遮光片的滑塊，其總質(zhì)量為M，左端由跨過輕質(zhì)光滑定滑輪的細繩與一質(zhì)量為m的砝碼相連；遮光片兩條長邊與導軌垂直；導軌上B點有一光電門，可以測試遮光片經(jīng)過光電門時的擋光時間t，用d表示A點到導軌低端C點的距離，h表示A與C的高度差，b表示遮光片的寬度，s表示A ,B 兩點的距離，將遮光片通過光電門的平均速度看作滑塊通過B點時的瞬時速度. 用g表示重力加速度.完成下列填空和作圖；

（1）若將滑塊自A點由靜止釋放，則在滑塊從A運動至B的過程中，滑塊、遮光片與砝碼組成的系統(tǒng)重力勢能的減小量可表示為.動能的增加量可表示為.若在運動過程中機械能守恒，1t2與s的關系式為1t2= .

圖2圖3

(2)多次改變光電門的位置，每次均令滑塊自同一點（A點）下滑，測量相應的s與t值，結果如下表所示：

12345S(m)0.6000.8001.0001.2001.400t(ms)8.227.176.445.855.431/t2(104s-2)1.481.952.412.923.39以s為橫坐標，1t2為縱坐標，在如圖2所示的坐標紙中描出第1和第5個數(shù)據(jù)點；根據(jù)5個數(shù)據(jù)點做直線，求得該直線的斜率k=×104m-1·s-2(保留3位有效數(shù)字).由測得的h、d、b、M和m數(shù)值可以計算出1t2-s直線的斜率k0，將k和k0進行比較，若其差值在試驗允許的范圍內(nèi)，則可認為此試驗驗證了機械能守恒定律.

解析（1）重力勢能的減小量為Mgshd-mgs，動能的增加量為12（Ｍ＋ｍ）（bt）2.若在運動過程中機械能守恒有Mgshd-mgs=12 （Ｍ＋ｍ）（bt）2，解得，1t2與s的關系式為1t2=2gs（Mh-md）（M+m）db2.

（2）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作圖象如圖3所示，據(jù)圖象求出斜率

k=(2.92-1.48)×1041.200-0.600

=2.40×104m-1·s-2.

點評本題主要考查實驗原理和圖象法數(shù)據(jù)處理，在實驗設計和數(shù)據(jù)處理上作出了創(chuàng)新.本題利用光電門測得速度，改變以往利用打點計器打紙帶求速度的方法，由于擋光條寬度很小，因此將擋光條通過光電門時的平均速度當作瞬時速度.在數(shù)據(jù)處理上改變了直接計算重力勢能的減少量和動能的增量，再進行比較大小關系，而是利用1t2-s圖象斜率為定值的特點來判斷機械能是否守恒.

題2（2008年江蘇高考題）某同學利用圖4如圖4所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律. 弧形軌道末端水平，離地面的高度為H. 將鋼球從軌道的不同高度h處靜止釋放，鋼球的落點距軌道末端的水平距離為s.

（1）若軌道完全光滑，s2與h的理論關系應滿足s2= （用H、h表示）.

（2）該同學經(jīng)實驗測量得到一組數(shù)據(jù)，如下表所示：

請在圖5坐標紙上做出s2-h關系圖.

h(10-1m)2.003.004.005.006.00s2(10-1m2)2.623.895.206.537.78（3）對比實驗結果與理論計算得到的s2-h關系圖線（圖中已畫出），自同一高度靜止釋放的鋼球，水平拋出的速率 （填“小于”或“大于”）理論值.

（4）從s2-h關系圖線中分析得出鋼球水平拋出的速率差十分顯著，你認為造成上述偏差的可能原因是.

圖5圖6解答：（1）設鋼球離開軌道末端的速度為v，若軌道完全光滑，則有mgh=12mv2. 鋼球離開軌道后做平拋運動，則有s=vt，H=12gt2. 整理可得：s2=4Hh.

（2）實驗數(shù)據(jù)做出的s2-h關系圖如圖5所示.

（3）由圖6可知，高度h一定，平拋水平位移s2的實際值小于理論值，故鋼球平拋的速率小于理論值.

（4）鋼球速率出現(xiàn)偏差的可能原因，一是軌道粗糙存在摩擦；二是鋼球除了平動還要轉動，存在轉動的動能. 故答案為：摩擦，轉動（回答任一合理答案即可）.

點評本題主要考查實驗原理與方法、圖象法處理數(shù)據(jù)、誤差分析.首先在實驗設計上作出了創(chuàng)新，用舊裝置（探究平拋運動的斜槽裝置）驗證新結論（機械能守恒定律），讓學生感覺問題情景既熟悉又陌生.其次是數(shù)據(jù)處理上根據(jù)s2-h圖象的理論值與實驗值比較來判斷機械能是否守恒.最后在尋找引起誤差原因的答案上具有開放性與探究性.

題3如圖7（a）所示，將包有白紙的圓柱棒（總質(zhì)量為m）替代紙帶和重物，蘸有顏料的毛筆固定在馬達上并隨之轉動，使之替代打點計時器．當燒斷掛圓柱的線后，圓柱棒豎直自由落下，毛筆就在圓柱棒面上的紙上畫出記號，如圖7（b）所示.測得記號之間的距離依次為26 mm、42mm、58mm、74mm、90mm、106mm，已知馬達銘牌上有“1500r/min”字樣，由此驗證機械能守恒.由以上內(nèi)容回答下列問題：

圖7(1) 毛筆畫的線距時間間隔T=，（b)圖中圓柱棒的端是懸掛端．(填“左”或“右”)

(2) 根據(jù)圖7（b)中所給數(shù)據(jù)，可知毛筆畫下記號C時，圓柱棒下落速度vC=，畫下記號D時，圓柱棒下落速度vD=，動能的變化量為，在這段位移上，圓柱棒重力勢能的變化為，由此可得出結論為．

解析（1）馬達的轉速為1500r/min，可知其周期為T=0.04s.由于棒做自由落體運動，故畫線間距越靠近懸掛端越大，因此左端為懸掛端.

(2)由勻變速直線運動規(guī)律，可得圓柱棒下落速度為：vC=sBD2T=(42+58)×10-32×0.04m/s=1.25 m/s， vD=sCE2T=(74+58)×10-32×0.04m/s=1.65 m/s，所以C、D間圓柱棒動能的變化量為ΔEK=12m(v2D-v2C)=0.58 mJ，重力勢能的改變量為ΔEp=mghCD=0.58 mJ.由此可得出結論為：物體在自由下落過程中機械能守恒.

點評本實驗設計是對課本實驗原理的拓展，主要考查在新情境中，對已學知識的遷移應用，分析、處理實際問題的綜合能力.本題的創(chuàng)新之處是在計時方式的創(chuàng)新，巧妙之處在于利用毛筆在圓柱棒上的劃痕周期等于馬達的轉動周期，從而推導出兩個線距之間的時間間隔.

題4為了驗證碰撞中兩個小球的機械能是否守恒，某同學選取了兩個體積相同、質(zhì)量不相等的小球，按下述步驟做了如下實驗:

①用天平測出兩個小球的質(zhì)量(分別為m1和m2，且m1＞m2).

圖8②按照如圖8所示的那樣，安裝好實驗裝置.將斜槽AB固定在桌邊，使槽的末端點的切線水平.將一斜面BC連接在斜槽末端.

③先不放小球m2,讓小球m1從斜槽頂端A處由靜止開始滾下，記下小球在斜面上的落點位置.

④將小球m2放在斜槽前端邊緣處，讓小球m1從斜槽頂端A處滾下，使它們發(fā)生碰撞，記下小球m1和小球m2在斜面上的落點位置.

⑤用毫米刻度尺量出各個落點位置到斜槽末端點B的距離.圖中D、E、F點是該同學記下的小球在斜面上的幾個落點位置，到B點的距離分別為LD、LE、LF.

根據(jù)該同學的實驗，回答下列問題：

(1)小球m1與m2發(fā)生碰撞后，m1的落點是圖中的點，m2的落點是圖中的點.

(2)用測得的物理量來表示，只要再滿足關系式，則說明兩小球的碰撞過程中沒有能量損失.

解析

（1）D、 F

（2）設斜面傾角為θ，小球平拋運動，由Lsinθ=12gt2，Lcosθ=vt，得拋出速度v∝L，若沒有機械能損失，則12m1v20=12m1v21+12m2v22，代入v∝L ，得m1LE=m1LD+m2LF.

點評本題主要考查實驗原理的理解、遷移能力.本題在設計過程中巧妙地將不易測量的速度轉化為容易測量的距離，并且根據(jù)物理公式求得v∝L，故EK∝mL.因此只要量得落點到拋出點的距離就可以求出碰撞前后的動能，從而達到驗證是否守恒的目的.

從以上幾道創(chuàng)新題可以看出，這類實驗問題具有器材新、視角新、方案新等特點，著重考查同學們對知識的遷移能力和變通能力.它既要求同學們對課本實驗的原理、方法要有較為透徹的理解，又要求能正確運用在這些實驗中學過的方法解決新的問題.因此我們在平時教學和學習當中，要特別注意創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，要從思維訓練上下功夫，著重培養(yǎng)學生的發(fā)散思維和求異思維.

(收稿日期：2013-12-19)

從近幾年的高考實驗題來看，強化了實驗設計和實驗創(chuàng)新的考查，著重考查學生基本技能、創(chuàng)新能力和實驗素養(yǎng)，實驗創(chuàng)新題已成為高考命題的一種趨勢和潮流.現(xiàn)列舉幾道考查“驗證機械能守恒定律實驗”的創(chuàng)新題，供賞析.

圖1題1(2011年海南高考題)現(xiàn)要通過實驗驗證機械能守恒定律.實驗裝置如圖1所示：水平桌面上固定一傾斜的氣墊導軌；導軌上A點處有一帶長方形遮光片的滑塊，其總質(zhì)量為M，左端由跨過輕質(zhì)光滑定滑輪的細繩與一質(zhì)量為m的砝碼相連；遮光片兩條長邊與導軌垂直；導軌上B點有一光電門，可以測試遮光片經(jīng)過光電門時的擋光時間t，用d表示A點到導軌低端C點的距離，h表示A與C的高度差，b表示遮光片的寬度，s表示A ,B 兩點的距離，將遮光片通過光電門的平均速度看作滑塊通過B點時的瞬時速度. 用g表示重力加速度.完成下列填空和作圖；

（1）若將滑塊自A點由靜止釋放，則在滑塊從A運動至B的過程中，滑塊、遮光片與砝碼組成的系統(tǒng)重力勢能的減小量可表示為.動能的增加量可表示為.若在運動過程中機械能守恒，1t2與s的關系式為1t2= .

圖2圖3

(2)多次改變光電門的位置，每次均令滑塊自同一點（A點）下滑，測量相應的s與t值，結果如下表所示：

12345S(m)0.6000.8001.0001.2001.400t(ms)8.227.176.445.855.431/t2(104s-2)1.481.952.412.923.39以s為橫坐標，1t2為縱坐標，在如圖2所示的坐標紙中描出第1和第5個數(shù)據(jù)點；根據(jù)5個數(shù)據(jù)點做直線，求得該直線的斜率k=×104m-1·s-2(保留3位有效數(shù)字).由測得的h、d、b、M和m數(shù)值可以計算出1t2-s直線的斜率k0，將k和k0進行比較，若其差值在試驗允許的范圍內(nèi)，則可認為此試驗驗證了機械能守恒定律.

解析（1）重力勢能的減小量為Mgshd-mgs，動能的增加量為12（Ｍ＋ｍ）（bt）2.若在運動過程中機械能守恒有Mgshd-mgs=12 （Ｍ＋ｍ）（bt）2，解得，1t2與s的關系式為1t2=2gs（Mh-md）（M+m）db2.

（2）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作圖象如圖3所示，據(jù)圖象求出斜率

k=(2.92-1.48)×1041.200-0.600

=2.40×104m-1·s-2.

點評本題主要考查實驗原理和圖象法數(shù)據(jù)處理，在實驗設計和數(shù)據(jù)處理上作出了創(chuàng)新.本題利用光電門測得速度，改變以往利用打點計器打紙帶求速度的方法，由于擋光條寬度很小，因此將擋光條通過光電門時的平均速度當作瞬時速度.在數(shù)據(jù)處理上改變了直接計算重力勢能的減少量和動能的增量，再進行比較大小關系，而是利用1t2-s圖象斜率為定值的特點來判斷機械能是否守恒.

題2（2008年江蘇高考題）某同學利用圖4如圖4所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律. 弧形軌道末端水平，離地面的高度為H. 將鋼球從軌道的不同高度h處靜止釋放，鋼球的落點距軌道末端的水平距離為s.

（1）若軌道完全光滑，s2與h的理論關系應滿足s2= （用H、h表示）.

（2）該同學經(jīng)實驗測量得到一組數(shù)據(jù)，如下表所示：

請在圖5坐標紙上做出s2-h關系圖.

h(10-1m)2.003.004.005.006.00s2(10-1m2)2.623.895.206.537.78（3）對比實驗結果與理論計算得到的s2-h關系圖線（圖中已畫出），自同一高度靜止釋放的鋼球，水平拋出的速率 （填“小于”或“大于”）理論值.

（4）從s2-h關系圖線中分析得出鋼球水平拋出的速率差十分顯著，你認為造成上述偏差的可能原因是.

圖5圖6解答：（1）設鋼球離開軌道末端的速度為v，若軌道完全光滑，則有mgh=12mv2. 鋼球離開軌道后做平拋運動，則有s=vt，H=12gt2. 整理可得：s2=4Hh.

（2）實驗數(shù)據(jù)做出的s2-h關系圖如圖5所示.

（3）由圖6可知，高度h一定，平拋水平位移s2的實際值小于理論值，故鋼球平拋的速率小于理論值.

（4）鋼球速率出現(xiàn)偏差的可能原因，一是軌道粗糙存在摩擦；二是鋼球除了平動還要轉動，存在轉動的動能. 故答案為：摩擦，轉動（回答任一合理答案即可）.

點評本題主要考查實驗原理與方法、圖象法處理數(shù)據(jù)、誤差分析.首先在實驗設計上作出了創(chuàng)新，用舊裝置（探究平拋運動的斜槽裝置）驗證新結論（機械能守恒定律），讓學生感覺問題情景既熟悉又陌生.其次是數(shù)據(jù)處理上根據(jù)s2-h圖象的理論值與實驗值比較來判斷機械能是否守恒.最后在尋找引起誤差原因的答案上具有開放性與探究性.

題3如圖7（a）所示，將包有白紙的圓柱棒（總質(zhì)量為m）替代紙帶和重物，蘸有顏料的毛筆固定在馬達上并隨之轉動，使之替代打點計時器．當燒斷掛圓柱的線后，圓柱棒豎直自由落下，毛筆就在圓柱棒面上的紙上畫出記號，如圖7（b）所示.測得記號之間的距離依次為26 mm、42mm、58mm、74mm、90mm、106mm，已知馬達銘牌上有“1500r/min”字樣，由此驗證機械能守恒.由以上內(nèi)容回答下列問題：

圖7(1) 毛筆畫的線距時間間隔T=，（b)圖中圓柱棒的端是懸掛端．(填“左”或“右”)

(2) 根據(jù)圖7（b)中所給數(shù)據(jù)，可知毛筆畫下記號C時，圓柱棒下落速度vC=，畫下記號D時，圓柱棒下落速度vD=，動能的變化量為，在這段位移上，圓柱棒重力勢能的變化為，由此可得出結論為．

解析（1）馬達的轉速為1500r/min，可知其周期為T=0.04s.由于棒做自由落體運動，故畫線間距越靠近懸掛端越大，因此左端為懸掛端.

(2)由勻變速直線運動規(guī)律，可得圓柱棒下落速度為：vC=sBD2T=(42+58)×10-32×0.04m/s=1.25 m/s， vD=sCE2T=(74+58)×10-32×0.04m/s=1.65 m/s，所以C、D間圓柱棒動能的變化量為ΔEK=12m(v2D-v2C)=0.58 mJ，重力勢能的改變量為ΔEp=mghCD=0.58 mJ.由此可得出結論為：物體在自由下落過程中機械能守恒.

點評本實驗設計是對課本實驗原理的拓展，主要考查在新情境中，對已學知識的遷移應用，分析、處理實際問題的綜合能力.本題的創(chuàng)新之處是在計時方式的創(chuàng)新，巧妙之處在于利用毛筆在圓柱棒上的劃痕周期等于馬達的轉動周期，從而推導出兩個線距之間的時間間隔.

題4為了驗證碰撞中兩個小球的機械能是否守恒，某同學選取了兩個體積相同、質(zhì)量不相等的小球，按下述步驟做了如下實驗:

①用天平測出兩個小球的質(zhì)量(分別為m1和m2，且m1＞m2).

圖8②按照如圖8所示的那樣，安裝好實驗裝置.將斜槽AB固定在桌邊，使槽的末端點的切線水平.將一斜面BC連接在斜槽末端.

③先不放小球m2,讓小球m1從斜槽頂端A處由靜止開始滾下，記下小球在斜面上的落點位置.

④將小球m2放在斜槽前端邊緣處，讓小球m1從斜槽頂端A處滾下，使它們發(fā)生碰撞，記下小球m1和小球m2在斜面上的落點位置.

⑤用毫米刻度尺量出各個落點位置到斜槽末端點B的距離.圖中D、E、F點是該同學記下的小球在斜面上的幾個落點位置，到B點的距離分別為LD、LE、LF.

根據(jù)該同學的實驗，回答下列問題：

(1)小球m1與m2發(fā)生碰撞后，m1的落點是圖中的點，m2的落點是圖中的點.

(2)用測得的物理量來表示，只要再滿足關系式，則說明兩小球的碰撞過程中沒有能量損失.

解析

（1）D、 F

（2）設斜面傾角為θ，小球平拋運動，由Lsinθ=12gt2，Lcosθ=vt，得拋出速度v∝L，若沒有機械能損失，則12m1v20=12m1v21+12m2v22，代入v∝L ，得m1LE=m1LD+m2LF.

點評本題主要考查實驗原理的理解、遷移能力.本題在設計過程中巧妙地將不易測量的速度轉化為容易測量的距離，并且根據(jù)物理公式求得v∝L，故EK∝mL.因此只要量得落點到拋出點的距離就可以求出碰撞前后的動能，從而達到驗證是否守恒的目的.

從以上幾道創(chuàng)新題可以看出，這類實驗問題具有器材新、視角新、方案新等特點，著重考查同學們對知識的遷移能力和變通能力.它既要求同學們對課本實驗的原理、方法要有較為透徹的理解，又要求能正確運用在這些實驗中學過的方法解決新的問題.因此我們在平時教學和學習當中，要特別注意創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，要從思維訓練上下功夫，著重培養(yǎng)學生的發(fā)散思維和求異思維.

(收稿日期：2013-12-19)

從近幾年的高考實驗題來看，強化了實驗設計和實驗創(chuàng)新的考查，著重考查學生基本技能、創(chuàng)新能力和實驗素養(yǎng)，實驗創(chuàng)新題已成為高考命題的一種趨勢和潮流.現(xiàn)列舉幾道考查“驗證機械能守恒定律實驗”的創(chuàng)新題，供賞析.

圖1題1(2011年海南高考題)現(xiàn)要通過實驗驗證機械能守恒定律.實驗裝置如圖1所示：水平桌面上固定一傾斜的氣墊導軌；導軌上A點處有一帶長方形遮光片的滑塊，其總質(zhì)量為M，左端由跨過輕質(zhì)光滑定滑輪的細繩與一質(zhì)量為m的砝碼相連；遮光片兩條長邊與導軌垂直；導軌上B點有一光電門，可以測試遮光片經(jīng)過光電門時的擋光時間t，用d表示A點到導軌低端C點的距離，h表示A與C的高度差，b表示遮光片的寬度，s表示A ,B 兩點的距離，將遮光片通過光電門的平均速度看作滑塊通過B點時的瞬時速度. 用g表示重力加速度.完成下列填空和作圖；

（1）若將滑塊自A點由靜止釋放，則在滑塊從A運動至B的過程中，滑塊、遮光片與砝碼組成的系統(tǒng)重力勢能的減小量可表示為.動能的增加量可表示為.若在運動過程中機械能守恒，1t2與s的關系式為1t2= .

圖2圖3

(2)多次改變光電門的位置，每次均令滑塊自同一點（A點）下滑，測量相應的s與t值，結果如下表所示：

12345S(m)0.6000.8001.0001.2001.400t(ms)8.227.176.445.855.431/t2(104s-2)1.481.952.412.923.39以s為橫坐標，1t2為縱坐標，在如圖2所示的坐標紙中描出第1和第5個數(shù)據(jù)點；根據(jù)5個數(shù)據(jù)點做直線，求得該直線的斜率k=×104m-1·s-2(保留3位有效數(shù)字).由測得的h、d、b、M和m數(shù)值可以計算出1t2-s直線的斜率k0，將k和k0進行比較，若其差值在試驗允許的范圍內(nèi)，則可認為此試驗驗證了機械能守恒定律.

解析（1）重力勢能的減小量為Mgshd-mgs，動能的增加量為12（Ｍ＋ｍ）（bt）2.若在運動過程中機械能守恒有Mgshd-mgs=12 （Ｍ＋ｍ）（bt）2，解得，1t2與s的關系式為1t2=2gs（Mh-md）（M+m）db2.

（2）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作圖象如圖3所示，據(jù)圖象求出斜率

k=(2.92-1.48)×1041.200-0.600

=2.40×104m-1·s-2.

點評本題主要考查實驗原理和圖象法數(shù)據(jù)處理，在實驗設計和數(shù)據(jù)處理上作出了創(chuàng)新.本題利用光電門測得速度，改變以往利用打點計器打紙帶求速度的方法，由于擋光條寬度很小，因此將擋光條通過光電門時的平均速度當作瞬時速度.在數(shù)據(jù)處理上改變了直接計算重力勢能的減少量和動能的增量，再進行比較大小關系，而是利用1t2-s圖象斜率為定值的特點來判斷機械能是否守恒.

題2（2008年江蘇高考題）某同學利用圖4如圖4所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律. 弧形軌道末端水平，離地面的高度為H. 將鋼球從軌道的不同高度h處靜止釋放，鋼球的落點距軌道末端的水平距離為s.

（1）若軌道完全光滑，s2與h的理論關系應滿足s2= （用H、h表示）.

（2）該同學經(jīng)實驗測量得到一組數(shù)據(jù)，如下表所示：

請在圖5坐標紙上做出s2-h關系圖.

h(10-1m)2.003.004.005.006.00s2(10-1m2)2.623.895.206.537.78（3）對比實驗結果與理論計算得到的s2-h關系圖線（圖中已畫出），自同一高度靜止釋放的鋼球，水平拋出的速率 （填“小于”或“大于”）理論值.

（4）從s2-h關系圖線中分析得出鋼球水平拋出的速率差十分顯著，你認為造成上述偏差的可能原因是.

圖5圖6解答：（1）設鋼球離開軌道末端的速度為v，若軌道完全光滑，則有mgh=12mv2. 鋼球離開軌道后做平拋運動，則有s=vt，H=12gt2. 整理可得：s2=4Hh.

（2）實驗數(shù)據(jù)做出的s2-h關系圖如圖5所示.

（3）由圖6可知，高度h一定，平拋水平位移s2的實際值小于理論值，故鋼球平拋的速率小于理論值.

（4）鋼球速率出現(xiàn)偏差的可能原因，一是軌道粗糙存在摩擦；二是鋼球除了平動還要轉動，存在轉動的動能. 故答案為：摩擦，轉動（回答任一合理答案即可）.

點評本題主要考查實驗原理與方法、圖象法處理數(shù)據(jù)、誤差分析.首先在實驗設計上作出了創(chuàng)新，用舊裝置（探究平拋運動的斜槽裝置）驗證新結論（機械能守恒定律），讓學生感覺問題情景既熟悉又陌生.其次是數(shù)據(jù)處理上根據(jù)s2-h圖象的理論值與實驗值比較來判斷機械能是否守恒.最后在尋找引起誤差原因的答案上具有開放性與探究性.

題3如圖7（a）所示，將包有白紙的圓柱棒（總質(zhì)量為m）替代紙帶和重物，蘸有顏料的毛筆固定在馬達上并隨之轉動，使之替代打點計時器．當燒斷掛圓柱的線后，圓柱棒豎直自由落下，毛筆就在圓柱棒面上的紙上畫出記號，如圖7（b）所示.測得記號之間的距離依次為26 mm、42mm、58mm、74mm、90mm、106mm，已知馬達銘牌上有“1500r/min”字樣，由此驗證機械能守恒.由以上內(nèi)容回答下列問題：

圖7(1) 毛筆畫的線距時間間隔T=，（b)圖中圓柱棒的端是懸掛端．(填“左”或“右”)

(2) 根據(jù)圖7（b)中所給數(shù)據(jù)，可知毛筆畫下記號C時，圓柱棒下落速度vC=，畫下記號D時，圓柱棒下落速度vD=，動能的變化量為，在這段位移上，圓柱棒重力勢能的變化為，由此可得出結論為．

解析（1）馬達的轉速為1500r/min，可知其周期為T=0.04s.由于棒做自由落體運動，故畫線間距越靠近懸掛端越大，因此左端為懸掛端.

(2)由勻變速直線運動規(guī)律，可得圓柱棒下落速度為：vC=sBD2T=(42+58)×10-32×0.04m/s=1.25 m/s， vD=sCE2T=(74+58)×10-32×0.04m/s=1.65 m/s，所以C、D間圓柱棒動能的變化量為ΔEK=12m(v2D-v2C)=0.58 mJ，重力勢能的改變量為ΔEp=mghCD=0.58 mJ.由此可得出結論為：物體在自由下落過程中機械能守恒.

點評本實驗設計是對課本實驗原理的拓展，主要考查在新情境中，對已學知識的遷移應用，分析、處理實際問題的綜合能力.本題的創(chuàng)新之處是在計時方式的創(chuàng)新，巧妙之處在于利用毛筆在圓柱棒上的劃痕周期等于馬達的轉動周期，從而推導出兩個線距之間的時間間隔.

題4為了驗證碰撞中兩個小球的機械能是否守恒，某同學選取了兩個體積相同、質(zhì)量不相等的小球，按下述步驟做了如下實驗:

①用天平測出兩個小球的質(zhì)量(分別為m1和m2，且m1＞m2).

圖8②按照如圖8所示的那樣，安裝好實驗裝置.將斜槽AB固定在桌邊，使槽的末端點的切線水平.將一斜面BC連接在斜槽末端.

③先不放小球m2,讓小球m1從斜槽頂端A處由靜止開始滾下，記下小球在斜面上的落點位置.

④將小球m2放在斜槽前端邊緣處，讓小球m1從斜槽頂端A處滾下，使它們發(fā)生碰撞，記下小球m1和小球m2在斜面上的落點位置.

⑤用毫米刻度尺量出各個落點位置到斜槽末端點B的距離.圖中D、E、F點是該同學記下的小球在斜面上的幾個落點位置，到B點的距離分別為LD、LE、LF.

根據(jù)該同學的實驗，回答下列問題：

(1)小球m1與m2發(fā)生碰撞后，m1的落點是圖中的點，m2的落點是圖中的點.

(2)用測得的物理量來表示，只要再滿足關系式，則說明兩小球的碰撞過程中沒有能量損失.

解析

（1）D、 F

（2）設斜面傾角為θ，小球平拋運動，由Lsinθ=12gt2，Lcosθ=vt，得拋出速度v∝L，若沒有機械能損失，則12m1v20=12m1v21+12m2v22，代入v∝L ，得m1LE=m1LD+m2LF.

點評本題主要考查實驗原理的理解、遷移能力.本題在設計過程中巧妙地將不易測量的速度轉化為容易測量的距離，并且根據(jù)物理公式求得v∝L，故EK∝mL.因此只要量得落點到拋出點的距離就可以求出碰撞前后的動能，從而達到驗證是否守恒的目的.

從以上幾道創(chuàng)新題可以看出，這類實驗問題具有器材新、視角新、方案新等特點，著重考查同學們對知識的遷移能力和變通能力.它既要求同學們對課本實驗的原理、方法要有較為透徹的理解，又要求能正確運用在這些實驗中學過的方法解決新的問題.因此我們在平時教學和學習當中，要特別注意創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，要從思維訓練上下功夫，著重培養(yǎng)學生的發(fā)散思維和求異思維.

(收稿日期：2013-12-19)