陳鵬

【內(nèi)容摘要】主要從自己的教學(xué)經(jīng)歷、學(xué)生提問和考試題目多方面來看，有幾個問題一直困擾著自己，所以從實驗原理出發(fā)思考討論了這幾個困惑，也解決了自己在教學(xué)過程中遇到的麻煩。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械能守恒定律 教材 實驗

引言

實驗：驗證機(jī)械能守恒定律是普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教材物理必修2第七章的一個基本而重要的驗證性實驗，此部分內(nèi)容也是高考以及平時考試的一個考點，主要是讓學(xué)生明白其實驗原理和方法，運(yùn)用所學(xué)知識來驗證機(jī)械能是否守恒，目的是對機(jī)械能守恒定律知識的鞏固，讓學(xué)生進(jìn)一步的明白和理解機(jī)械能守恒定律。本節(jié)內(nèi)容安排在學(xué)習(xí)機(jī)械能守恒定律之后，是為了使學(xué)生在理論上對機(jī)械能守恒定律有所了解的基礎(chǔ)上，通過實驗測量及對實驗數(shù)據(jù)的分析處理，對機(jī)械能守恒定律及天劍有著深刻的認(rèn)識。然而，分析多年的考題，本部分題型多變，實驗裝置也有所不同（如右圖是人教版教材插圖）。對此學(xué)生的解答也存在著一些問題，是一個難點。

一、教材原有實驗方案

如上圖所示，現(xiàn)有人教版高中物理教材采用“重物自由下落法”，研究物體在自由下落過程中重力勢能轉(zhuǎn)化為動能的情況，從而驗證是否滿足機(jī)械能守恒定律。這種情況只有重力做功，不涉及彈性勢能。在實驗過程中，根據(jù)打點計時器在紙帶上的打點情況測算相應(yīng)的高度 和速度 ，其驗證原理公式為：

mgh1+12mv12=mgh2+12mv22

為了方便學(xué)生試驗和數(shù)據(jù)處理，一般要求學(xué)生選取第一個點和某一時刻作為初末狀態(tài)進(jìn)行驗證，借助打點計時器打下的紙帶，由紙帶次算出至某一時刻下落的高度h及該時刻的瞬時速度v，進(jìn)而求得重力勢能的減少量|△Ep|=mgh和動能的增加量△Ep=12mv2，比較|△Ep|和△Ep，若在誤差允許的范圍內(nèi)相等，即可以驗證機(jī)械能守恒。

二、教材所述方案的一些疑問

1.舊人教版教材要求選擇最初兩點間距離接近1.98mm的紙帶進(jìn)行研究。到底在實驗時選擇最初兩點間距偏大還是偏小的紙帶好？

2.按照自由落體運(yùn)動的規(guī)律，計算該實驗中物體的運(yùn)動速度時，可選擇以下三種方法：v=2gh 、v=gt、vn=hn+1-hn-12T。那種方法適合于“驗證機(jī)械能守恒定律”實驗？

3.在一些考題中實驗必需的器材中含有天平，有的問題中又不需要。實驗時物體具體質(zhì)量到底一定要知道嗎？

4.比較|△Ep|和△Ep，驗證機(jī)械能守恒時，以打點計時器打下的第一個點為起始點，適當(dāng)大距離后選擇一個點作為末點。必修保證紙帶上的第一個點擊清晰，且是放手時打下的第一個點。如何保證第一個點？

三、自己的一些思考

教材中機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容：在只有重力做功的系統(tǒng)內(nèi)，動能和重力勢能可以相互轉(zhuǎn)化，但機(jī)械能的總量保持不變。由此機(jī)械能守恒定律的表達(dá)式有：

mgh1+12mv12=mgh2+12mv22

如果選擇的第一個點速度為零，則有：

mgh=12mv2 （1）

如果第一個點速度不為零，則可以用△h表示初末狀態(tài)的距離，則有：

mg△h=12mv22-12mv12 （2）

我們可以把表達(dá)式等號兩邊的都有的m約去，僅從機(jī)械能守恒定律的角度而言，不需要知道物體質(zhì)量的大小，所以上面的問題3就解決了。我們可以把（1）（2）式化解為：

2gh=v2 （3）

2g△h=v22-v12（4）

從（3）（4）兩式中可以看出為了驗證機(jī)械能是否守恒，需要確定研究物理在下落過程中的下落高度，因為高度逐漸變化，所以要選擇初始點和末點。（3）式只需要測量某一時刻所處位置與初始位置之間的距離；（4）式要測量物體兩個時刻所對應(yīng)位置的距離。除此之外，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭也需要查找（一般情況下題目會給出，老師在實驗時也會給一個確定值）。

關(guān)于速度的計算，從（3）（4）兩個表達(dá)式可以看到，都不能用v=2gh 來進(jìn)行計算速度，因為我們驗證機(jī)械能守恒用到的速度應(yīng)該是物體下落到某一時刻的實際速度，而v=2gh 計算出的不是，應(yīng)該是v=2ah 。主要原應(yīng)是受到阻力作用，a 驗證表達(dá)式（3）用紙帶上的第一個點和研究點間的距離表示物體下落的高度，這就要求打第一個點時物體恰好下落，做自由落體運(yùn)動的物體在最初0.02 s內(nèi)下落的距離是1.98 mm，從運(yùn)動規(guī)律知，若紙帶第一、二兩點間的距離接近或略大于1.98 mm更利于減小偶然誤差，問題1就明白了。驗證表達(dá)式（4）中由于高度的變化和兩個位置一定相對應(yīng)且沒有系統(tǒng)誤差，因而對紙帶上打第一個點時物體是否恰好下落就不一定要求，問題4自然就明白了。

總結(jié)

從前面的分析我們已經(jīng)解決了驗證機(jī)械能守恒定律實驗的一些困惑，發(fā)現(xiàn)用（4）式進(jìn)行驗證更加有利于我們操作，不需要去考慮第一個點速度是否為零。隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，本實驗對實驗裝置的改進(jìn)措施也有不少，通過看文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)這些方法有一定的可取性。同樣的，多種方法公用或者互用可以幫助學(xué)生更加熱愛物理實驗，或許從一些層面上可以激發(fā)他們的創(chuàng)新意識。

【參考文獻(xiàn)】

[1]人民教育出版社課程教材研究所.物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·物理必修2（第3版）.北京人民教育出版社，2010：79-80.

[2] 夏季云.關(guān)于“驗證機(jī)械能守恒定律”實驗中六個現(xiàn)象的思考[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2015，（15）： 32-33.

（作者單位：張掖市肅南裕固族自治縣第一中學(xué)）