“探究重力勢(shì)能大小的影響因素”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

陳遠(yuǎn)毅 潘玲君

[摘 要]教材里探究重力勢(shì)能大小的影響因素的實(shí)驗(yàn)，存在精準(zhǔn)性不高、可見性差、不嚴(yán)瑾等不足，經(jīng)過分析研究，筆者認(rèn)為讓小球撞擊彈簧，通過彈簧的壓縮量來比較重力勢(shì)能的大小，實(shí)驗(yàn)效果更優(yōu)。

[關(guān)鍵詞]重力勢(shì)能；影響因素；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；彈簧

[中圖分類號(hào)] G633.7[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-6058（2018）11-0049-01

一、課本實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)

浙教版科學(xué)教材中，在做“探究重力勢(shì)能大小的影響因素”實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用小球撞擊沙子，并通過沙子的凹陷程度來比較重力勢(shì)能的大小。這個(gè)實(shí)驗(yàn)存在三個(gè)缺點(diǎn)。

1.精準(zhǔn)性不高。特別是當(dāng)兩個(gè)物體重力勢(shì)能相差不大時(shí)，很難區(qū)分沙坑的凹陷程度。而且沙坑的凹陷程度既要考慮深度又要考慮廣度，這也影響了其精準(zhǔn)性。

2.作為演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，可見性差。因?yàn)樯匙臃旁谌萜鲀?nèi)，學(xué)生坐在座位上，由于視角的關(guān)系，學(xué)生根本無法直接觀察到沙坑的凹陷程度。

3.研究質(zhì)量大小對(duì)重力勢(shì)能大小的影響時(shí)，課本中選擇了一個(gè)實(shí)心和一個(gè)空心的小球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這其實(shí)是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。試想一下，如果沒有空氣阻力，根據(jù)加速度公式，兩個(gè)小球下落到底部時(shí)速度變化量是一樣的。但是現(xiàn)實(shí)中存在空氣阻力，兩個(gè)平均密度不同的小球下落到底部時(shí)速度變化量是不一樣的，也就是說它們的機(jī)械能損耗量是不一樣的。我們可以先簡(jiǎn)單地用極限法分析一下，如果一個(gè)鐵球和一個(gè)泡沫球從同一高度自由落下，在有空氣阻力的情況下，它們的加速度肯定是不同的，也就是它們到達(dá)底部的時(shí)候速度是不可能相等的。這也就是為什么我們?cè)谘芯课矬w質(zhì)量對(duì)動(dòng)能大小影響時(shí)沒有選擇一個(gè)空心和一個(gè)實(shí)心的小球，而選擇密度相同、質(zhì)量不同的兩個(gè)小球從斜面的相同高度滾下的原因，因?yàn)橹挥羞@樣才能盡可能確保兩個(gè)小球從斜面上滾下來的時(shí)候加速度相等，從而盡可能使兩個(gè)小球撞擊物體的時(shí)候速度相等。所以研究質(zhì)量大小對(duì)重力勢(shì)能大小的影響時(shí)，也應(yīng)該用兩個(gè)密度相同、質(zhì)量不同的小球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。但是這么一來體積大小又會(huì)影響沙坑的凹陷程度，所以說像課本中這樣撞擊沙子的方法是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/p>

二、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

基于以上缺點(diǎn)，筆者設(shè)法讓小球撞擊彈簧，通過彈簧的壓縮量來比較重力勢(shì)能的大小，但是彈簧會(huì)恢復(fù)原狀不容易觀察，所以筆者用留跡法留下痕跡，筆者在彈簧上固定了一支圓珠筆芯，把它們放在針筒里面，并在針筒的兩側(cè)刻出小孔，然后把針筒固定在鐵架臺(tái)上。在鐵架臺(tái)的主干上包上厚厚的紙筒，讓圓珠筆芯剛剛接觸紙筒。當(dāng)小球撞擊彈簧時(shí)，圓珠筆芯就可以在紙筒上留下痕跡，那我們就知道彈簧被壓縮的最低點(diǎn)在哪里，而且紙筒還可以旋轉(zhuǎn)，可以很方便地進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。如有必要，外層紙還可以拆下來進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析或保留實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

三、實(shí)驗(yàn)操作

第一次，讓一個(gè)小球從較低的位置自由落下，紙上留下了第一個(gè)極低點(diǎn)。第二次，旋轉(zhuǎn)紙筒，讓這個(gè)小球從更高的位置自由落下，紙上留下第二個(gè)極低點(diǎn)（比第一個(gè)更低）。說明物體的質(zhì)量一定時(shí)，高度越高，重力勢(shì)能越大。第三次，再旋轉(zhuǎn)紙筒，讓一個(gè)質(zhì)量較小的小球從和第二次一樣高的高度自由落下，紙上留下第三個(gè)極低點(diǎn)（比第二個(gè)極低點(diǎn)高），說明物體高度相同時(shí)，質(zhì)量越大，重力勢(shì)能越大。

四、改進(jìn)后教具的優(yōu)點(diǎn)

1.精準(zhǔn)性高，哪怕兩個(gè)物體重力勢(shì)能相差很小都可以比較出來。

2.作為演示實(shí)驗(yàn)可見性好。筆者做了一個(gè)粉筆套，演示時(shí)，一頭套上粉筆，另一頭套在圓珠筆芯上。將針筒旋轉(zhuǎn)一定角度使粉筆剛好接觸黑板，就可以直接在黑板上留下痕跡，這樣全班同學(xué)就可以直接觀察到實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程。

3.科學(xué)性好。研究高度對(duì)重力勢(shì)能大小的影響時(shí)，選擇密度相同、質(zhì)量不同的兩個(gè)小球可以更有效地縮短空氣阻力對(duì)小球機(jī)械能損耗帶來的影響。

4.容易推廣。筆者使用的實(shí)驗(yàn)材料都是學(xué)校里很常見的，且制作簡(jiǎn)單，極易推廣。

（責(zé)任編輯 易志毅）