陳遠毅 潘玲君

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

[關鍵詞]重力勢能；影響因素；實驗改進；彈簧

[中圖分類號] G633.7[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-6058（2018）11-0049-01

一、課本實驗的缺點

浙教版科學教材中，在做“探究重力勢能大小的影響因素”實驗時，利用小球撞擊沙子，并通過沙子的凹陷程度來比較重力勢能的大小。這個實驗存在三個缺點。

1.精準性不高。特別是當兩個物體重力勢能相差不大時，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，這也影響了其精準性。

2.作為演示實驗時，可見性差。因為沙子放在容器內(nèi)，學生坐在座位上，由于視角的關系，學生根本無法直接觀察到沙坑的凹陷程度。

3.研究質(zhì)量大小對重力勢能大小的影響時，課本中選擇了一個實心和一個空心的小球進行實驗，這其實是不夠嚴謹?shù)?。試想一下，如果沒有空氣阻力，根據(jù)加速度公式，兩個小球下落到底部時速度變化量是一樣的。但是現(xiàn)實中存在空氣阻力，兩個平均密度不同的小球下落到底部時速度變化量是不一樣的，也就是說它們的機械能損耗量是不一樣的。我們可以先簡單地用極限法分析一下，如果一個鐵球和一個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，也就是它們到達底部的時候速度是不可能相等的。這也就是為什么我們在研究物體質(zhì)量對動能大小影響時沒有選擇一個空心和一個實心的小球，而選擇密度相同、質(zhì)量不同的兩個小球從斜面的相同高度滾下的原因，因為只有這樣才能盡可能確保兩個小球從斜面上滾下來的時候加速度相等，從而盡可能使兩個小球撞擊物體的時候速度相等。所以研究質(zhì)量大小對重力勢能大小的影響時，也應該用兩個密度相同、質(zhì)量不同的小球進行實驗。但是這么一來體積大小又會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謹?shù)摹?/p>

二、實驗改進

基于以上缺點，筆者設法讓小球撞擊彈簧，通過彈簧的壓縮量來比較重力勢能的大小，但是彈簧會恢復原狀不容易觀察，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上。在鐵架臺的主干上包上厚厚的紙筒，讓圓珠筆芯剛剛接觸紙筒。當小球撞擊彈簧時，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在哪里，而且紙筒還可以旋轉(zhuǎn)，可以很方便地進行多次實驗。如有必要，外層紙還可以拆下來進行詳細的數(shù)據(jù)分析或保留實驗證據(jù)。

三、實驗操作

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

四、改進后教具的優(yōu)點

1.精準性高，哪怕兩個物體重力勢能相差很小都可以比較出來。

2.作為演示實驗可見性好。筆者做了一個粉筆套，演示時，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，這樣全班同學就可以直接觀察到實驗的整個過程。

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

4.容易推廣。筆者使用的實驗材料都是學校里很常見的，且制作簡單，極易推廣。

（責任編輯 易志毅）