淺談高中物理機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

劉軒維

摘? 要 以教材中的機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)為例，對機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、注意事項(xiàng)等進(jìn)行探究，深入分析機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)中的操作要點(diǎn)及難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 機(jī)械能守恒;實(shí)驗(yàn);高中物理;實(shí)驗(yàn)裝置

中圖分類號：G633.7??? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）19-0127-03

1 前言

高中物理實(shí)驗(yàn)具有引導(dǎo)性、多元性和開放性特點(diǎn)，對提升學(xué)生的物理知識和能力水平具有重要作用。隨著開放性教學(xué)體系的構(gòu)建，物理實(shí)驗(yàn)課堂有了更加廣泛的操作空間和探究空間。在實(shí)驗(yàn)過程中可以從不同的角度出發(fā)，對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行拓展，探究不同裝置下的實(shí)驗(yàn)效果，以全面提升物理實(shí)驗(yàn)效益。在機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)中就對其實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了優(yōu)化和完善，大大提升了機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的時(shí)效。

2 機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容

機(jī)械能守恒是指在只有重力（或彈力）做功的情況下，物體的重力勢能（或彈性勢能）和動能發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，但總機(jī)械能保持不變。在機(jī)械能守恒定律運(yùn)用過程中需要保證：在系統(tǒng)內(nèi)部只有重力和彈簧力做功，除重力和彈簧力以外的做功均不可認(rèn)為機(jī)械能守恒，即除重力和彈簧力以外的力做功其代數(shù)和應(yīng)為零;要保證系統(tǒng)內(nèi)只有動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化，并且保證其轉(zhuǎn)化量相等，這樣才符合機(jī)械能守恒定律。

尤其是在機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)過程中，要把握好上述原理，依照該原理開展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，做好動力勢能與重力勢能或彈性勢能的分析及相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì);要對動能和重力勢能的變化進(jìn)行合理研究，通過實(shí)驗(yàn)裝置測定物體的動能及勢能狀況，對兩者求和，確定其機(jī)械能的變化狀況;要對外部環(huán)境因素進(jìn)行把握，最大限度降低外部環(huán)境因素對實(shí)驗(yàn)的影響，尤其是摩擦力、空氣阻力大等對動力勢能及重力勢能的影響，這樣才能夠保證機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

3 機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)原理? 本次實(shí)驗(yàn)過程中要對各個(gè)裝置的功能進(jìn)行明確。首先，通過天平對物體的質(zhì)量進(jìn)行測量，并依照該質(zhì)量數(shù)據(jù)和重物下落的高度計(jì)算重物的重力勢能。其次，將重物與紙帶連接，以紙帶下落過程中打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上留下的點(diǎn)的位置代替重物下落的高度，從而避免測量重物下落過程中可能出現(xiàn)的定位問題及誤差。以紙帶下落高度代替重物下落高度更加便于測量，在一定程度上降低了機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)的難度。最后，使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上定時(shí)（0.2 s/次）進(jìn)行打點(diǎn)，這樣紙帶上的計(jì)數(shù)點(diǎn)的瞬時(shí)速度都可以進(jìn)行計(jì)算，從而得到重物下落過程中的動力勢能，以驗(yàn)證僅在重力做功下系統(tǒng)是否機(jī)械能守恒。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)? 實(shí)驗(yàn)開展的過程中要先準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)裝置，其包括秒表、紙帶、刻度尺、天平、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、復(fù)寫紙片、導(dǎo)線、電、帶有鐵夾的鐵架臺、重錘、電源等。運(yùn)用這些裝置進(jìn)行機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)的設(shè)置，其具體狀況見圖1。

這是課本中的機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置內(nèi)容較為簡單，能夠直觀看到重物下落狀況并運(yùn)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器對重物運(yùn)動進(jìn)行記錄，是機(jī)械能守恒驗(yàn)證的重要方案，其具體操作內(nèi)容及注意事項(xiàng)見表1。

對上述操作步驟進(jìn)行分析后可以發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)選用儀器的實(shí)際性能在一定程度上無法滿足機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)要求。這主要是由于鐵夾夾住打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的過程中很容易出現(xiàn)振動，其穩(wěn)定性較差導(dǎo)致。在該實(shí)驗(yàn)時(shí)容易出現(xiàn)紙帶脫落或位置偏移等，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)嚴(yán)重誤差。

從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，在機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)開展過程中，鐵架上固定的是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，該鐵夾為一般的單軸夾，穩(wěn)定性較差。尤其是在松開紙帶向下移動的過程中，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器需要不斷在紙帶上面打點(diǎn)，鐵夾固定效果較差，存在一定的震動。通過實(shí)驗(yàn)測定打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)中產(chǎn)生的作用力為2 N，而鐵夾穩(wěn)定狀態(tài)下可承受力的最大值為1.8 N，鐵夾夾住打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)肉眼觀察存在明顯的震動。對其打點(diǎn)出來的位置進(jìn)行對比分析后發(fā)現(xiàn)：打出的點(diǎn)的間距小于實(shí)際的自由落體運(yùn)動的位置間距。這是由于打點(diǎn)計(jì)時(shí)器振動與紙面出現(xiàn)摩擦導(dǎo)致，實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在明顯的誤差。

而通過松手讓紙帶自由下落這一方式，在實(shí)際操作過程中也很容易出現(xiàn)操作問題。手提起紙帶釋放的過程中很難保證手的穩(wěn)定，在松手的一瞬間，紙帶很容易出現(xiàn)偏離，造成紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器之間存在摩擦，從而影響打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)位置的準(zhǔn)確性。除此之外，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，用手松開紙帶讓其自由下落這一實(shí)驗(yàn)方式，很容易造成紙上前段點(diǎn)的位置無法確認(rèn)。一般實(shí)驗(yàn)中第一個(gè)點(diǎn)為一堆點(diǎn)，而第二、第三個(gè)點(diǎn)確定時(shí)卻很難判斷紙帶運(yùn)動位置。

課本上為了解決上述問題，選擇將后面部分劃分為第四、第五、第六部分，將前面部分劃分為第一、第二、第三部分，形成前后兩個(gè)部分進(jìn)行計(jì)算。這種方法操作較為簡便，但無法對前面點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確分析，在實(shí)驗(yàn)過程中有待改進(jìn)。

設(shè)計(jì)難點(diǎn)? 為進(jìn)一步提升機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)的可操作性，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中對機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)的裝置進(jìn)行了調(diào)整。操作過程中可以將單支架改變?yōu)殡p支架，在原有的左側(cè)支架右側(cè)重復(fù)固定另一支架，對打點(diǎn)計(jì)時(shí)器進(jìn)行穩(wěn)定，以減小打點(diǎn)計(jì)時(shí)器震動對實(shí)驗(yàn)造成的影響。除此之外，在兩支架中設(shè)置夾子，用夾子夾住紙帶，從而避免用手直接松開紙帶造成的紙帶位置偏移。在實(shí)驗(yàn)操作過程中，只要將兩支架中心的夾子松開，即可讓紙帶自由下落，以最大限度減少人為操作對實(shí)驗(yàn)的影響。在設(shè)置夾子過程中，操作時(shí)可以先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察夾子和紙之間是否存在摩擦，一定要保證夾子和紙帶垂直下落的位置在豎直平面上且呈現(xiàn)90°角。

完成上述裝置改進(jìn)后，將實(shí)驗(yàn)中獲得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)填入數(shù)據(jù)表格中，進(jìn)行重物下落過程中重力勢能和動能的計(jì)算驗(yàn)證，確定其動能及重力勢能的和數(shù)值是否發(fā)生改變，對機(jī)械能守恒狀況進(jìn)行分析，具體狀況見表2。

4 機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)的拓展

隨著物理學(xué)習(xí)內(nèi)容的逐漸深入，可以發(fā)現(xiàn)機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)可以轉(zhuǎn)變成多種形式的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)開展過程中需要在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和拓展，對機(jī)械能守恒的不同形式進(jìn)行合理分析。尤其是在操作中需要對各項(xiàng)環(huán)境下的機(jī)械能守恒進(jìn)行驗(yàn)證，把握好機(jī)械能守恒的性質(zhì)，這樣才能夠從根本上提升對機(jī)械能守恒的認(rèn)識，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能守恒問題的高效處理。

實(shí)驗(yàn)小組在機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)開展時(shí)對教師講解的內(nèi)容進(jìn)行整理和分析，結(jié)合生活中常見情景構(gòu)建拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，其具體狀況見圖2。

第一套實(shí)驗(yàn)裝置主要是驗(yàn)證砝碼運(yùn)動過程中的機(jī)械能守恒，對砝碼自由下降過程中其重力勢能和動力勢能的變化進(jìn)行研究。松開細(xì)線后，砝碼自由下落，通過光電門和擋光條滑塊計(jì)算砝碼下降的速度，使用導(dǎo)軌標(biāo)尺對砝碼下降的位移進(jìn)行計(jì)算，從而得到機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)中所需的數(shù)據(jù)。操作過程中需要最大限度降低細(xì)線與滑輪之間的摩擦力，這樣才能夠保證系統(tǒng)機(jī)械能守恒。

第二套實(shí)驗(yàn)裝置中以垂直下落的位置和水平下落的位置來確定小球的速度。在該基礎(chǔ)上計(jì)算小球的動力勢能，并依據(jù)小球下落的高度計(jì)算小球的重力勢能，判斷小球在只受重力做功下是否機(jī)械能守恒。實(shí)驗(yàn)操作難度較大，但可以將以前學(xué)習(xí)到的平拋運(yùn)動與機(jī)械能守恒定律結(jié)合在一起，有助于探究上述知識之間的關(guān)聯(lián)，這對于日常物理知識的學(xué)習(xí)具有至關(guān)重要的作用。

在以上實(shí)驗(yàn)過程中要做好各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)，最大限度避免可能出現(xiàn)的人為操作誤差。以機(jī)械裝置代替人為操作，從而保證得到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從根本上提升對機(jī)械能守恒的認(rèn)識，提高物理學(xué)習(xí)素養(yǎng)。

5 結(jié)語

物理實(shí)驗(yàn)的目的是提升認(rèn)知，拓展思維。在機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)開展過程中，可以對課本中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展，結(jié)合已學(xué)到的知識形成新型的機(jī)械能守恒驗(yàn)證裝置，進(jìn)行自主探究和問題處理。尤其是在機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)開展時(shí)，能夠集思廣益，將課本中的裝置轉(zhuǎn)變?yōu)楦颖憬莸膶?shí)驗(yàn)裝置，真正實(shí)現(xiàn)理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作的整合，全面促進(jìn)個(gè)人學(xué)習(xí)和發(fā)展。

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