陳觀杰

【摘要】物理實驗既能培養(yǎng)學生的好奇心，激發(fā)學生對物理學習的興趣，也能夠培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力.機械能守恒定律驗證實驗是高中物理的一個開放性實驗，學生可以充分發(fā)揮主觀能動性，對實驗進行改進與創(chuàng)新來對機械能守恒定律進行驗證.本文從實驗原理、實驗器材和實驗過程三個角度出發(fā)，介紹多種機械能守恒定律實驗的創(chuàng)新設計，并列舉兩道典型例題，希望幫助學生打開思維，發(fā)揮想象，從多角度驗證機械能守恒定律.

【關鍵詞】機械能守恒定律；高中物理；實驗教學

1 機械能守恒定律實驗

實驗原理 通過驗證自由落體物體減少的重力勢能和其自由落體過程中增加的動能相等，即可驗證機械能守恒定律.

實驗器材 實驗裝置如圖1所示，器材包括打點計時器、電源、紙帶、復寫紙、重物、刻度尺、鐵架臺（含夾子）、導線兩根.

數據處理 速度計算

實驗結論 在誤差允許的范圍內，自由落體過程機械能守恒.

注意事項 計算物體在某一時間點的瞬時速度時，應該采用公式vn=hn+1－h(huán)n－1/2T，而不能用公式vn=2ghn或vn=gt來計算.

2 機械能守恒定律實驗誤差及改進方法

2.1 偶然誤差

產生原因 測量長度帶來的誤差

3 機械能守恒定律實驗的改進與創(chuàng)新設計

3.1 實驗原理的創(chuàng)新

（1）如圖2所示，利用壓縮彈簧推動小球做平拋運動，根據平拋的位移確定球的初速度，記錄下平拋位移和彈簧壓縮量的數據，構建二者之間的關系圖線，驗證機械能守恒定律.

（2）如圖3所示，細線的一端綁在小球上，另一端固定在鐵架臺上，將擺球拉到一定的高度，然后放開，小球在擺動的過程中，動能和勢能相互轉化，利用光電門測定擺球的瞬時速度，驗證機械能守恒定律.

3.2 實驗器材的創(chuàng)新

如圖4所示，小球在重力作用下向上豎直拋出，然后利用高頻相機拍照記錄小球位置，根據動能和重力勢能的轉換，驗證機械能守恒定律.

3.3 實驗過程的創(chuàng)新

（1）如圖5甲所示，金屬球從A點自由落下，利用光電門測定金屬球下落到B點的速度，結合1/t2－h(huán)圖象（如圖5乙）判定金屬球下落過程中機械能守恒，同時還可以分析實驗誤差（ΔEp－ΔEk）隨h的變化規(guī)律.

（2）如圖6所示，通過鉤碼的自由落體運動帶動滑塊運動，滑塊的瞬時速度則利用光電門進行監(jiān)測收集，根據重力勢能和動能的轉換，驗證機械能守恒定律.

4 創(chuàng)新實例

例題 某實驗小組利用如圖7所示的實驗裝置來驗證鉤碼和滑塊所組成的系統機械能守恒.已知當地的重力加速度為g.

（1）遮光條的寬度為d，鉤碼和滑塊的質量分別為m1、m2，釋放時遮光條位置讀數x1，光電門位置讀數x2（x1>x2），如何驗證系統的機械能守恒？

（2）將滑塊從不同位置由靜止釋放，得到多組數據，畫出v2與（x1>x2）的關系圖象為過原點的一條直線，求該直線斜率k的表達式.

【本文系貴港市教育科學“十四五”規(guī)劃2023年度重點教研課題《基于核心素養(yǎng)的高中物理實驗教學設計的研究》（課題編號：2023176，批準文號：貴教辦［2023］5號）的研究成果之一.】