用單擺驗證機械能守恒實驗的設(shè)計

張彥明

械能守恒在整個中學物理教學中非常重要，它給學生一個新的視角，用守恒的思想去解決動力學問題，在整個自然科學領(lǐng)域，守恒是一種非常重要的研究問題的方法，能量守恒、電荷守恒、質(zhì)量守恒、機械能守恒、動量守恒，都是各學科領(lǐng)域中非常重要的定律，中學物理是運用打點計時器結(jié)合自由落體運動來驗證機械能守恒的，實驗簡單易行，但有如下不足：（1）誤差相對較大只能精略大致進行驗證；（2）區(qū)限性較大，自由落體是直線運動，直線運動中機械能守恒，曲線運動中守恒嗎？（3）不便于不學生課外自主探究。該實驗受打點計時器的限制，學生課外要想去驗證不易實現(xiàn)，更談不上自主探究以及素質(zhì)的提升。

本文介紹借助單擺和平拋運動動去驗證機械能守恒。

一、機械能守恒簡介

1.機械能守恒的條件：只有重力或者是彈力做功。

2.機械能守恒的三個表達式（沒有彈性勢能參與時）

假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)有兩個對象，則對象1機械能的減小量等于對象2機械能的增加量。

二、用單擺驗證機械能守恒實驗

1.實驗原理

2.實驗簡介

首先接通電源等B處的電熱絲達到一定溫度后，將單擺從最點B拉到某一位置A處，從靜止開始釋放小球，單擺從A向B運動，當運動到B點時懸掛小球的細線在此處被通電的電熱絲燒斷，水平向外飛出做平拋運動，落到鋪有復(fù)寫紙的地面上C點，然后分別測量出小球從A運動到C的過程中下落的高度h1、小球做平拋運動的高度h2，和遠度x2。重重復(fù)剛才步驟，多做幾次，并分別記錄數(shù)據(jù)。

3.實驗數(shù)據(jù)記錄與處理

（1）下落高度的測量

得用刻度尺測量出小從A點運動到B點是下落的高度h1。

（2）速度的測量

小球運動到最低B點時線剛好被燒斷，小球從B點開始做平拋運動，在地上鋪上白紙與復(fù)寫紙，記錄下小球落到地上時的置C，然后測用重垂線找到小球在B點是在地面的投影點D，并利用刻度尺測量出B點距地面的高度h2與B點離C點距離x2，為減小實驗的誤差應(yīng)多次實驗反復(fù)測量h2與x2的值，并求出平均值這樣可以減少偶然誤差，提高實驗準確程度，然后運動平拋運動的規(guī)律可知小球運動到B點時的瞬時速度為：

h2=■gt2 （1）

x2=vBt （2）

由（1）（2）式可知小球運動到B點時的瞬時速度為：

vB=x2■

4.實驗結(jié)果

由實驗原理化簡可得：h1=0.25x22/h2，

通過測量h1，x2，h2，代入上式，是否近似等，如果相等機械能守恒，則驗證完成。

5.實驗分析

要驗證機械能守恒，設(shè)計的實驗的過程機械能首先要守恒，通過分析兩個階段小球只有重力做功，機械能是守恒的。因此本實驗的設(shè)計符合要求。

誤差分析：

①偶然誤差：用刻度尺測量三個長度，由于估讀，引入偶然誤差，采用多次測量求平均值的方法減少該誤差。

②系統(tǒng)誤差：測量過程中測量儀器精度會引入系統(tǒng)誤差，減少系統(tǒng)誤差的方法可能根據(jù)測量的需要，選擇合適的測量儀器。

小球的選擇也會引入誤差，因為小球在運動中受周圍空氣的影響，會損失少量的機械能，為減少誤差，可以選擇密度較大、體積較小的小球。

三、本實驗在教學中的意義和應(yīng)用

本實驗裝置簡單便于實現(xiàn)，也有許多可以改進的地方，學生在課外探究時有很大的空間，同時可鞏固平拋運動，一舉兩得。

本實驗也與素質(zhì)教育理理念不謀而合，素質(zhì)教育注重以人為本。本實驗裝置對傳統(tǒng)實驗中的不足做了合理的補充，注重了培養(yǎng)學生的動手能力，通過本實驗的設(shè)計，培養(yǎng)了學生科學嚴謹性及科學探究精神，強調(diào)了以學生為主的人本主義精神，可以充分調(diào)動學生學習的積極性，激發(fā)學生的學習欲望與創(chuàng)新能力，使學生知道，課本上給出的并不是唯一的答案，我們可以在課本基礎(chǔ)上，根據(jù)所學的知識，去設(shè)計更加巧妙與合理的實驗，這也是新課改下新課標教材理念之一。

四、本實驗的不足之處與改進方法

1.單擺無論用什么方法使線斷掉，都會損失一小部分機械能，每次在實驗，必須保證小球從同一位置靜止釋放，小球的位置是根據(jù)眼睛大致做出判斷，這樣會因此而引入較大的誤差。

2.小球擺到最低點要保證從水平飛出，實際操作中最低點B往往不是太準確。

3.每次要重新更換單擺上的細線比較麻煩，并且不能保證更換后單擺的擺長每次都相等，從而人為的引入實驗的誤差。

4.用電熱絲去燒斷細線必須達到一定的溫度，這樣在學生操作過程中不注意的話可能會燙傷學生。

根據(jù)以上出現(xiàn)的問題，我覺得應(yīng)從如下幾點進行改進：

1.不用單擺，只用小球，這樣可以省去電熱絲部分，實驗裝置更加緊湊，也避免了燙傷學生的隱患和更換擺線的麻煩。

2.找一段末端水平的軌道將它固定在離地一定高度的位置，并調(diào)整軌道使末端水平，然后讓小球每次從同一高度由靜止開始下落，測出小球在軌道上下落的高度然后測出小球從軌道上飛出去后做平拋運動的高度與遠度。

通過改進以后，實驗操作起來更加容易，也避免了實驗中存在一些安全隱患，節(jié)省了實驗時間。