驗證機(jī)械能守恒定律的實驗設(shè)計

湖北省襄陽市襄州區(qū)第二高級中學(xué) 呂 俊 王正香

驗證機(jī)械能守恒定律實驗是人教版必修二第七章第九節(jié)的內(nèi)容，在此節(jié)中，運用了小球自由下落的模型來驗證“只有重力做功時，小球機(jī)械能是否守恒，若守恒，必然滿足重力勢能的減少量等于動能的增加量，即mgh=mv2/2”，在這個實驗中需要利用打點計時器來得到h，進(jìn)而計算得到v。

紙帶的處理中，h1、h2、h3……的測量會有偶然誤差，v需要計算，數(shù)據(jù)不特殊，計算復(fù)雜，小球下落過程存在不可避免的空氣阻力，紙帶與限位孔之間的摩擦，所以此種實驗方案存在一定的弊端。

經(jīng)過反復(fù)思考和不斷地探究，我將此實驗方案進(jìn)行重新設(shè)計，方案如下：

一個小球在拉力的作用下（懸點固定）由靜止釋放，在豎直平面內(nèi)做圓周運動。設(shè)繩子長為R，初始時刻繩子與豎直方向夾角為α，從初狀態(tài)到最低點的過程中，重力勢能的減少量為ΔEp=mgR(1-cosα)，動能的增加量為 ΔEk=mv2/2，若機(jī)械能守恒：ΔEp=ΔEk，

即：mgL(1-cosα)=mv2/2 （1）

L與α的測量還相對簡單，復(fù)雜的是如何去測量最低點的速度v，這里我引入了力傳感器，用力傳感器去測量繩子的拉力T,在最低點繩子拉力最大，所以根據(jù)計算機(jī)中的數(shù)據(jù)很容易拉力的最大值，也就是小球在最低點時受到的T，

根據(jù)T-mg=mv2/L得到最低點的v

結(jié)合（1）式化簡就可以得到

T=mg(3-2cosa) （2）

T已得到，要想驗證此等式是否成立，還要測量mg及小球釋放時的а。

通過小球靜止時用力傳感器測mg，用量角器測量a,為了減小實驗誤差，а應(yīng)較小，這樣速度小了空氣阻力影響就小，但是a也不宜太小，以免計算復(fù)雜。

若將 a=60°,代入（2）式，則 T=2mg。這就是我們最終需要驗證的等式。

此實驗設(shè)計的優(yōu)點在于：

1.測量的物理量少，繩子拉力T的最大值和mg。

2.所需儀器少且精確，誤差小。

3.無計算降低了實驗難度。

物理實驗是研究物理問題的重要手段，而且也是學(xué)習(xí)物理重要方法，通過實驗可以更好的理解物理規(guī)律，所以實驗是非常重要的，我們要把實驗設(shè)計得更好，在這個實驗設(shè)計中，完美地將不能直接測量的物理量v轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訙y量的物理量拉力T，這種間接測量的物理思想貫穿整個高中，當(dāng)然這也要求學(xué)生有較深厚的物理功底，較全面的物理知識體系，較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S能力，較強(qiáng)的動手能力。

通過實驗驗證，體會到學(xué)習(xí)的快樂，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，通過親身實踐，樹立實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)觀，培養(yǎng)學(xué)生的觀察和實踐能力，培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)態(tài)度。同時，我們的高中物理實驗教學(xué)必須不斷地創(chuàng)新和進(jìn)步，不斷改良其中的弊端和問題，只有這樣才能通過高中物理實驗進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其探究習(xí)慣和動手能力，為將來更深奧的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。

[1]邢紅軍.論科學(xué)技術(shù)發(fā)展與中學(xué)物理課程改革[J].中學(xué)物理教考，1998年第4期.

[2]陶洪.物理實驗論[M].南寧：廣西教育出版社，1996.