高考實驗驗證機械能守恒定律的拓展案例

1、高考實驗：驗證機械能守恒定律的拓展案例在“機械能守恒定律”的新課教學中，教材通過一個單擺的擺動引入動能與勢能是可以相互轉(zhuǎn)化的，并且通過觀察擺球總是能擺到另一邊等高的位置引出守恒量機械能。然后教材就通過研究物體沿光滑曲面下滑的例子，應用動能定理，在理論上推導出在只有重力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機械能保持不變的結(jié)論。而對于系統(tǒng)內(nèi)彈力做功的情況，教材只是用“同樣可以證明”一筆帶過。在探究教學中，或是在高三一輪的實驗復習中，如能充分應用教材中的素材，設計一些探究案例，則不僅可以領略理論研究和實驗研究相得益彰相輔相成的妙處，更可以拓寬學生的思維領域，努力實現(xiàn)處處時時探究的理念。1

2、單擺中機械能守恒的實驗驗證本案例來源于人教版必修2教材“機械能守恒定律”這一節(jié)中引入時所用的例子，本節(jié)所用的例題也是這個單擺模型。本實驗裝置可以用鐵夾固定在黑板上邊緣，預先畫出若干條水平線。11演示一：單擺從某一位置由靜止釋放，將擺動到另一側(cè)等高處。說明，只要操作中注意不要形成錐擺，本實驗演示效果很直觀很可靠。12演示二：測定每一個位置的機械能由于演示一中只能說明始末兩個位置的機械能是相等的，并不能直觀說明擺動過程中每一個位置的機械能都始終保持不變，即不能說明“守恒”這一特征，所以可以通過測定任何位置的機械能來直觀直接地說明機械能是否不變。以B點為例，實驗中需要測定的是該位置的高度（以最低點O

3、1為零勢能處）和通過該點時的瞬時速度大小。速度可以用光電門和數(shù)據(jù)采集器測量，光電門的一側(cè)用雙面膠貼好后，可直接粘在黑板上相應位置。13幾點說明：在同一次實驗中，要保證砝碼每次都是從同一個起始位置開始運動；通過實驗發(fā)現(xiàn)，要保證實驗效果，光電門擺放時要注意正對圓心即懸點位置，光電門上的小孔要正好放在擺的重心所要經(jīng)過的路徑上，如圖1所示。擺錘改用砝碼而不用小球，原因是使用小球時，很難保證小球重心經(jīng)過光電門的小孔，即擋住光電門小孔的往往是某根弦而非直徑，導致速度測量誤差很大。而砝碼的下半部分是圓柱體，可以保證每次經(jīng)過光電門時直徑是相同的，從而減少速度測量的誤差。為進一步減小誤差，在每一個位置記錄時間時

4、，要多次測量取平均值，記錄經(jīng)過某一位置時的平均時間，砝碼的直徑事先測量好，本實驗所用的100g的砝碼，直徑為00205m。數(shù)據(jù)處理設計如下表的表格：物體通過物體直徑速度v實驗次數(shù)光電門的d（m）（m/s）時間t（s）物體高mgh（J）度h（m）（J）機械能E=+mgh（J）1（位置1）2（位置2）由理論分析可知質(zhì)量m不需測量，所以在數(shù)據(jù)計算時直接以單位1代入；重力加速度g取98m/s2；把測量好的時間和高度直接輸入Excel表格中，后面的數(shù)據(jù)自動生成，可以很直觀地看到機械能的數(shù)值在實驗誤差允許范圍內(nèi)相等。如圖3所示為一次實驗數(shù)據(jù)：2彈簧振子機械能守恒的實驗驗證如圖4所示的裝置中，彈簧連著輕滑塊

5、，滑塊放在氣墊導軌上，給氣墊導軌充氣后，滑塊可以在導軌上無摩擦地運動，可以很直觀地看到，在來回振動的過程中，指示用的箭頭所對準的刻度左右總是相同，可見滑塊運動過程中該振子系統(tǒng)的動能和彈性勢能的總量（即該系統(tǒng)的機械能）是守恒的。利用該裝置也可以進行定量分析，例如在平衡位置（原長處）左側(cè)刻度為“2cm”處放上光電門，把滑塊拉開到刻度為“8cm”處，然后釋放。仿照上例中記錄下滑塊經(jīng)過光電門的時間t、滑塊的寬度D滑塊離開平衡位置的距離x，代入表達式，此即為滑塊在該位置的機械能。改變x的值，可以得到滑塊不同位置的機械能，從而可以定量地研究振子振動過程中機械能的守恒情況。3用教材中驗證加速度與外力和質(zhì)量關(guān)

6、系的裝置來驗證機械能守恒如圖5所示為必修1教材中驗證牛頓第二定律的裝置，利用此裝置也可進行機械能守恒定律的驗證。小車M在重物m的拉動下加速運動，只要驗證系統(tǒng)減少的重力勢能和系統(tǒng)增加的動能是否相等即可。值得注意的是，本實驗中存在小車與木板間的摩擦，和紙帶與打點計時器之間的摩擦以及空氣阻力，平衡摩擦阻力并不能減少實驗誤差。因為即使平衡了摩擦力，摩擦力依然存在，系統(tǒng)機械能必然要損失，所以對實驗結(jié)果肯定有影響，所以為了減少誤差，需要盡量減小小車的質(zhì)量，即要滿足M車m重。當然，適當抬高木板一端，可以減小摩擦力，越大，f越小。如果為90，那么這項阻力就不存在了，所以在教材中驗證機械能守恒定律所用的裝置就是

7、讓重物做落體運動。4用教材中驗證加速度與外力和質(zhì)量關(guān)系的裝置來驗證動能定理用上例中的裝置也可進行動能定理的驗證。值得注意的是，驗證動能定理本來不需要平衡摩擦力，有摩擦力做功，動能定理一樣可以成立，但是由于不知道小車與木板間的動摩擦系數(shù)，所以摩擦力做功這一項無法表達，因此需要平衡摩擦力。摩擦力平衡好后，對小車和重物組成的系統(tǒng)，做功的只有重物的重力，小車的重力做功和小車所受的摩擦力作的功抵消。所以只要驗證鉤碼重力做的功mghAB，和系統(tǒng)增加的動能是否在實驗誤差允許范圍內(nèi)一致即可。正因為物理學是一門以實驗為基礎的學科，在高考中物理學科對物理實驗及實驗能力提出了特別的要求。在物理實驗高三總復習中，我們應該從這些實驗的原理、步驟、數(shù)據(jù)采集與處理方式上的異同，給這些實驗分門別類