用单摆验证机械能守恒实验的设计

张彦明（甘肃省甘南州合作藏中）

用单摆验证机械能守恒实验的设计

张彦明
（甘肃省甘南州合作藏中）

械能守恒在整个中学物理教学中非常重要，它给学生一个新的视角，用守恒的思想去解决动力学问题，在整个自然科学领域，守恒是一种非常重要的研究问题的方法，能量守恒、电荷守恒、质量守恒、机械能守恒、动量守恒，都是各学科领域中非常重要的定律，中学物理是运用打点计时器结合自由落体运动来验证机械能守恒的，实验简单易行，但有如下不足：（1）误差相对较大只能精略大致进行验证；（2）区限性较大，自由落体是直线运动，直线运动中机械能守恒，曲线运动中守恒吗？（3）不便于不学生课外自主探究。该实验受打点计时器的限制，学生课外要想去验证不易实现，更谈不上自主探究以及素质的提升。

本文介绍借助单摆和平抛运动动去验证机械能守恒。

一、机械能守恒简介

1.机械能守恒的条件：只有重力或者是弹力做功。

2.机械能守恒的三个表达式（没有弹性势能参与时）

（2）能量变化表达式：mgh1-mgh2=mv22-mv12

（3）对象表达式：E1′-E1=E2-E2′

假设系统内有两个对象，则对象1机械能的减小量等于对象2机械能的增加量。

二、用单摆验证机械能守恒实验

1.实验原理

mgh1=mvB2

h2=gt2

x2=vBt

2.实验简介

首先接通电源等B处的电热丝达到一定温度后，将单摆从最点B拉到某一位置A处，从静止开始释放小球，单摆从A向B运动，当运动到B点时悬挂小球的细线在此处被通电的电热丝烧断，水平向外飞出做平抛运动，落到铺有复写纸的地面上C点，然后分别测量出小球从A运动到C的过程中下落的高度h1、小球做平抛运动的高度h2，和远度x2。重重复刚才步骤，多做几次，并分别记录数据。

3.实验数据记录与处理

（1）下落高度的测量

得用刻度尺测量出小从A点运动到B点是下落的高度h1。（2）速度的测量

4.实验结果

由实验原理化简可得：h1=0.25x22/h2，

通过测量h1，x2，h2，代入上式，是否近似等，如果相等机械能守恒，则验证完成。

5.实验分析

要验证机械能守恒，设计的实验的过程机械能首先要守恒，通过分析两个阶段小球只有重力做功，机械能是守恒的。因此本实验的设计符合要求。

误差分析：

①偶然误差：用刻度尺测量三个长度，由于估读，引入偶然误差，采用多次测量求平均值的方法减少该误差。

②系统误差：测量过程中测量仪器精度会引入系统误差，减少系统误差的方法可能根据测量的需要，选择合适的测量仪器。

小球的选择也会引入误差，因为小球在运动中受周围空气的影响，会损失少量的机械能，为减少误差，可以选择密度较大、体积较小的小球。

三、本实验在教学中的意义和应用

本实验装置简单便于实现，也有许多可以改进的地方，学生在课外探究时有很大的空间，同时可巩固平抛运动，一举两得。

本实验也与素质教育理理念不谋而合，素质教育注重以人为本。本实验装置对传统实验中的不足做了合理的补充，注重了培养学生的动手能力，通过本实验的设计，培养了学生科学严谨性及科学探究精神，强调了以学生为主的人本主义精神，可以充分调动学生学习的积极性，激发学生的学习欲望与创新能力，使学生知道，课本上给出的并不是唯一的答案，我们可以在课本基础上，根据所学的知识，去设计更加巧妙与合理的实验，这也是新课改下新课标教材理念之一。

四、本实验的不足之处与改进方法

1.单摆无论用什么方法使线断掉，都会损失一小部分机械能，每次在实验，必须保证小球从同一位置静止释放，小球的位置是根据眼睛大致做出判断，这样会因此而引入较大的误差。

2.小球摆到最低点要保证从水平飞出，实际操作中最低点B往往不是太准确。

3.每次要重新更换单摆上的细线比较麻烦，并且不能保证更换后单摆的摆长每次都相等，从而人为的引入实验的误差。

4.用电热丝去烧断细线必须达到一定的温度，这样在学生操作过程中不注意的话可能会烫伤学生。

根据以上出现的问题，我觉得应从如下几点进行改进：

1.不用单摆，只用小球，这样可以省去电热丝部分，实验装置更加紧凑，也避免了烫伤学生的隐患和更换摆线的麻烦。

2.找一段末端水平的轨道将它固定在离地一定高度的位置，并调整轨道使末端水平，然后让小球每次从同一高度由静止开始下落，测出小球在轨道上下落的高度然后测出小球从轨道上飞出去后做平抛运动的高度与远度。

通过改进以后，实验操作起来更加容易，也避免了实验中存在一些安全隐患，节省了实验时间。

·编辑薄跃华