沈 軍

(南通大學(xué)附屬中學(xué) 江蘇 南通 226001)

圖1

以下是利用氣墊導(dǎo)軌和光電門進(jìn)行系統(tǒng)機(jī)械能守恒實驗的過程，采用的器材有氣墊導(dǎo)軌、光電門、數(shù)字計時器、墊高片、天平.

1 氣墊導(dǎo)軌調(diào)節(jié)水平

實驗中首先需要進(jìn)行氣墊導(dǎo)軌的水平調(diào)節(jié).將氣墊導(dǎo)軌放置在水平桌面上，安裝好光電門，讓兩個光電門的距離相距40 cm，此距離即為后續(xù)計算中鉤碼下落的距離.打開氣源，輕推滑塊，如果滑塊通過兩個光電門的時間相同，則氣墊導(dǎo)軌水平調(diào)節(jié)完成，在實際操作中，如果通過兩個光電門的時間相差小于5%，就可以認(rèn)為水平調(diào)節(jié)完成.

2 實驗驗證

水平調(diào)節(jié)完成后，用5 g的鉤碼拉動滑塊，通過兩個光電門后，數(shù)字計時器顯示出滑塊經(jīng)過兩個光電門的速度，輸入Excel進(jìn)行計算,結(jié)果如表1所示.

表1 數(shù)據(jù)記錄 g=9.80 m/s2

從結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，不計入鉤碼的動能，誤差在8.7%左右，如果計入鉤碼的動能，則誤差在6.1%，符合實驗要求.

3 問題討論

但對于學(xué)生來說，僅從直觀的數(shù)據(jù)看，有學(xué)生認(rèn)為這個鉤碼的動能不計，也基本能證明守恒，數(shù)據(jù)的差值可能還是阻力的影響.此時，也可能會有學(xué)生提出，在探究加速度與力和質(zhì)量關(guān)系的實驗中，如果滑塊的質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼的質(zhì)量，可以近似認(rèn)為鉤碼的重力就是繩子上的拉力，那么，這個實驗中，鉤碼的動能是否可以忽略呢？

4 再次驗證

換用50 g的鉤碼，再次進(jìn)行實驗，數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 實驗數(shù)據(jù) g=9.80 m/s2

從這組數(shù)據(jù)可以看出，如果不計入鉤碼的動能，則計算的偏差為24%，正確算法的結(jié)果誤差為2.7%，符合實驗要求.從這里可以讓學(xué)生清楚地認(rèn)識到系統(tǒng)機(jī)械能守恒不能缺少鉤碼的動能.

5 拓展研究

在前面實驗的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步把氣墊導(dǎo)軌的一端墊高(墊高15 mm)，這樣滑塊滑行時重力勢能也會減小，而這部分勢能往往也是學(xué)生容易遺漏的，實驗數(shù)據(jù)如表3所示.

可以發(fā)現(xiàn)，如果不計入滑塊減少的勢能，偏差為43%，正確的結(jié)果誤差為4.5%.這個實驗進(jìn)一步讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己對系統(tǒng)機(jī)械能守恒認(rèn)識上的問題，從而讓學(xué)生能夠正確地認(rèn)識系統(tǒng)機(jī)械能守恒的相關(guān)模型.

表3 實驗數(shù)據(jù) g=9.80 m/s2

6 結(jié)語

本實驗利用的是實驗室的基本儀器，采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實際教學(xué)中無需另加時間，利用正常教學(xué)時間，學(xué)生就可以直觀地發(fā)現(xiàn)自己的問題所在，糾正錯誤.這樣既讓學(xué)生在有限的時間里動手動腦，又促進(jìn)了對書本知識的鞏固、掌握.