徐藝玲

(南京師范大學(xué)隨園校區(qū)　江蘇 南京　210023)

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利用氣墊導(dǎo)軌改進(jìn)機(jī)械能守恒定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

徐藝玲

(南京師范大學(xué)隨園校區(qū)江蘇 南京210023)

本文基于人教版高中《物理·必修2》中“實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”一節(jié)內(nèi)容，利用氣墊導(dǎo)軌改進(jìn)課本中的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了彈力參與做功時(shí)的系統(tǒng)機(jī)械能守恒．此改進(jìn)有益于加深學(xué)生對(duì)機(jī)械能守恒定律的全面理解．

機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)改進(jìn)氣墊導(dǎo)軌彈力

1　驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的現(xiàn)狀分析

“實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”是人教版必修2第七章第9節(jié)的內(nèi)容，是高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中很重要的一部分，也是《考試說(shuō)明》明確規(guī)定必須掌握的實(shí)驗(yàn)之一．本節(jié)實(shí)驗(yàn)安排在學(xué)生學(xué)習(xí)了機(jī)械能守恒定律之后，目的是讓學(xué)生通過實(shí)際觀測(cè)和計(jì)算進(jìn)一步加深對(duì)機(jī)械能守恒定律的理解，同時(shí)也給學(xué)生增加實(shí)驗(yàn)探究與體驗(yàn)的機(jī)會(huì)來(lái)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)思維與動(dòng)手能力，提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的水平．

圖1　驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律

教材上選擇了如圖1所示的自由落體運(yùn)動(dòng)來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，對(duì)獲得的紙帶進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，測(cè)出重物某時(shí)刻的下落高度H和該時(shí)刻的瞬時(shí)速度v，比較動(dòng)能和重力勢(shì)能的變化，從而驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，具體處理辦法和數(shù)據(jù)在此不做贅述．此實(shí)驗(yàn)中的偶然誤差來(lái)自于紙帶數(shù)據(jù)的處理，系統(tǒng)誤差主要來(lái)源于紙帶跟打點(diǎn)計(jì)時(shí)器之間的阻力和重物下落所受到的空氣阻力．

機(jī)械能守恒定律的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)除了用教材上所用的方法以外，還有很多其他實(shí)驗(yàn)方法，下面列舉了文獻(xiàn)中出現(xiàn)過的一些創(chuàng)新方案．

頻閃照片法：用頻閃照片代替打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶，通過測(cè)量頻閃照片中的位移來(lái)計(jì)算速度，實(shí)驗(yàn)原理還是自由落體運(yùn)動(dòng)中物體的動(dòng)能和重力勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化．

光控門測(cè)速法：用光控門代替打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶測(cè)量速度，實(shí)驗(yàn)原理不變，但簡(jiǎn)化了速度的測(cè)量和計(jì)算．

單擺法：細(xì)線的一端固定，另一端與小球相連，小球從與固定點(diǎn)相水平位置釋放，運(yùn)動(dòng)到與固定點(diǎn)豎直位置時(shí)剪斷細(xì)線使小球做平拋運(yùn)動(dòng)，通過測(cè)量擺線的長(zhǎng)度求出重力勢(shì)能的變化，通過平拋運(yùn)動(dòng)軌跡算出速度進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證．

氣墊導(dǎo)軌法：將氣墊導(dǎo)軌的一端墊高，通過滑塊在導(dǎo)軌上的移動(dòng)距離和導(dǎo)軌傾角算出高度，利用光電門和數(shù)字計(jì)時(shí)器算出速度進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證．

不管是教材上的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)還是文獻(xiàn)中的創(chuàng)新方案，都只是驗(yàn)證了重力做功時(shí)的機(jī)械能守恒定律．新課標(biāo)提倡科學(xué)素養(yǎng)，而科學(xué)素養(yǎng)中的科學(xué)研究思維應(yīng)該是嚴(yán)謹(jǐn)而全面的．就全面性方面考慮，筆者認(rèn)為應(yīng)該補(bǔ)充彈力參與做功時(shí)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，既可以加深學(xué)生對(duì)機(jī)械能守恒定律的認(rèn)識(shí)，又可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)．而在本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中利用氣墊導(dǎo)軌這一器材是考慮到可以減少摩擦引起的誤差，同時(shí)也是為了測(cè)速的方便．

2　利用氣墊導(dǎo)軌改進(jìn)機(jī)械能守恒定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

以下是改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)過程，所需器材有氣墊導(dǎo)軌(含光電門、數(shù)字計(jì)時(shí)器)、滑塊2個(gè)、彈簧、游標(biāo)卡尺、天平、彈簧測(cè)力計(jì)、直尺、細(xì)線和剪刀．

2.1測(cè)量彈簧的勁度系數(shù)

根據(jù)胡克定律，彈簧在發(fā)生彈性形變時(shí)，彈簧的彈力F和彈簧的伸長(zhǎng)量(或壓縮量)Δx成正比，分別記下不同彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)F下的彈簧伸長(zhǎng)量Δx，并將數(shù)據(jù)記錄在表格內(nèi)．根據(jù)表格內(nèi)的數(shù)據(jù)以彈力F為縱坐標(biāo)，以彈簧伸長(zhǎng)量Δx為橫坐標(biāo)在坐標(biāo)紙上選取合適的刻度作出F-Δx圖線(如圖2所示)，計(jì)算出所使用彈簧的勁度系數(shù)為κ=6.4 N/cm．

圖2　F-Δx圖線

2.2氣墊導(dǎo)軌調(diào)節(jié)水平

實(shí)驗(yàn)中首先需要進(jìn)行氣墊導(dǎo)軌的水平調(diào)節(jié)．先進(jìn)行粗調(diào)：接通氣源，將裝有遮光片的滑塊輕放于導(dǎo)軌上，調(diào)節(jié)單腳螺絲，使滑塊在導(dǎo)軌上各處基本上均能保持靜止；再進(jìn)行細(xì)調(diào)：數(shù)字計(jì)時(shí)器功能擋打在加速度擋，轉(zhuǎn)換擋打在速度擋，推動(dòng)滑塊使滑塊以某一速度運(yùn)動(dòng)，測(cè)量滑塊先后經(jīng)過兩光電門后顯示的加速度a，仔細(xì)調(diào)節(jié)單腳螺絲，使加速度的絕對(duì)值不大于0.3 cm/s2就可以認(rèn)為導(dǎo)軌已基本水平．

2.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

用天平測(cè)出滑塊質(zhì)量m=105.6 g，用游標(biāo)卡尺測(cè)出滑塊上擋光片寬度d=9.82 mm．在氣墊導(dǎo)軌一側(cè)安裝彈簧(如圖3所示)，壓縮彈簧并釋放使滑塊運(yùn)動(dòng)，記錄下壓縮的長(zhǎng)度和滑塊經(jīng)過光電門后數(shù)字計(jì)時(shí)器上顯示的時(shí)間，改變壓縮量重復(fù)實(shí)驗(yàn)，整理的數(shù)據(jù)如表1所示．

圖3　氣墊導(dǎo)軌實(shí)驗(yàn)裝置

Δx/cmκΔx2/Jt/msv/(m·s-1)mv2/J10.955.77639.890.2466.3921.209.21631.950.3099.95331.4012.54429.3170.33511.851

3　總結(jié)與反思

物理實(shí)驗(yàn)是高中物理教學(xué)的重要內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)的教學(xué)要注意忠于教材，但也不能拘泥于教材，而且在物理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)重視學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的理解和探究能力．本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了教材上實(shí)驗(yàn)沒有完成的“只有彈力參與做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)力和彈力勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化，總的機(jī)械能保持不變”這句話，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械能守恒定律的全面驗(yàn)證，既讓學(xué)生更全面深刻理解了機(jī)械能守恒定律，也培養(yǎng)了學(xué)生思考與創(chuàng)新的能力．

但是，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)還是沒有考慮到重力和彈力同時(shí)做功，不受其他外力或其他外力不做功情況下的機(jī)械能守恒，這也是需要繼續(xù)思考和改進(jìn)的地方．

1陳宏.驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn).物理教學(xué)，2012,34(3)：28～30

2李曉明，徐曉梅.高中機(jī)械能守恒定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的完善和拓展.物理教學(xué)探討，2012(30)：77～79

3郭建.驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的創(chuàng)新方案賞析.中學(xué)生理科應(yīng)試，2014(6)：48～50

4張楠.換湯不換藥——淺析驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn).科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013(35)：92～93

2016-02-23)