“验证机械能守恒定律”的能力测试题探析

钱呈祥 韩叙虹

(1. 浙江省永嘉县上塘中学,浙江省温州 325100;2. 北京市第八十中学,北京 100012)

·试题研究·

“验证机械能守恒定律”的能力测试题探析

钱呈祥1韩叙虹2

(1. 浙江省永嘉县上塘中学,浙江省温州 325100;2. 北京市第八十中学,北京 100012)

“验证机械能守恒定律”实验是高考物理的考查重点，2016年高考有4份试卷对其进行了考查，其中2份试卷的试题涉及传感器，另外2份试卷的试题侧重于考查学生对实验数据的处理.

机械能守恒定律；能力测试；考查目标

机械能守恒定律是力学的一个重要规律,对该定律的验证是高中物理很重要的测试内容.本实验安排在机械能守恒定律的学习之后,可以使学生通过亲身体验增加感性认识,深化对机械能守恒定律的理解.“验证机械能守恒定律”的实验原理是:忽略空气阻力,对获得的纸带进行数据处理,比较从释放物体到下落至某点的动能和重力势能的变化,验证动能的增加等于重力势能的减少.对于该实验的考查目标是：(1) 理解实验原理和方法,明确实验中需要直接测量的物理量;(2) 了解常用测量仪器的构造、测量原理和使用方法,并能正确测量有关物理量;(3) 能正确进行实验操作,并根据实验数据得出结论;(4) 能定性分析实验产生误差的原因,并提出减小实验误差的方法.2016年高考物理中有4份试卷考查了“验证机械能守恒定律”,其中2份试卷的试题涉及传感器,另外2份试卷的“验证机械能守恒定律”试题侧重于考查学生对实验数据的处理.

数字化实验是一种现代化的教育和科研手段,它将信息技术与传统的物理测量有机结合起来,在实验中用传感器代替常用的测量仪器.通过传感器和计算机进行实时动态测量,可方便地转换成数据表格或图像,可以提高课堂教学效率,体现了物理教学的时代性.

例1(2016年江苏高考卷第11题):某同学用如图1所示的装置验证机械能守恒定律.一根细线系住钢球,悬挂在铁架台上,钢球静止于A点,光电门固定在A的正下方.在钢球底部竖直地粘住一片宽度为d的遮光条.将钢球拉至不同位置由静止释放,遮光条经过光电门的挡光时间t可由计时器测出,可求得钢球经过A点时的速率.记录钢球每次下落的高度h和计时器示数t,计算并比较钢球在释放点和A点之间的势能变化ΔEp与动能变化ΔEk,以此验证机械能是否守恒.

图1

(1) 用ΔEp=mgh计算钢球重力势能变化的大小,式中钢球下落高度h应测量释放时的钢球球心到_____________之间的竖直距离.

A. 钢球在A点时的顶端

B. 钢球在A点时的球心

C. 钢球在A点时的底端

图2

(3) 下表为该同学的实验结果:

ΔEp/(10-2J)4.8929.78614.6919.5929.38ΔEk/(10-2J)5.0410.115.120.029.8

他发现表中的ΔEp与ΔEk之间存在差异,认为这是由于空气阻力造成的.你是否同意他的观点？请说明理由.

(4) 请你提出一条减小上述差异的改进建议.

解析:(1) 小球下落的高度为初、末位置球心间的距离,所以选B;

(3) 若是空气阻力造成的,则ΔEk应小于ΔEp,根据表格数据ΔEk大于ΔEp,可知不是空气阻力造成的,所以不同意他的观点.

例2(2016年高考上海卷第26题):在“用DIS研究机械能守恒定律”的实验中,用到的传感器是光电门传感器.若摆锤直径的测量值大于其真实值，会造成摆锤动能的测量值偏____________(选填:“大”或“小”).

光电门的工作原理是:光束被切断时计时器开始计时,光束重新被接收时计时器停止计时.如果光电门发出的光束比较细,那么小球在遮光时间内走过的距离近似等于小球的直径.利用DIS做实验,会使学生的数据采集与处理的工作量大大减轻,从而让学生有更多的时间对实验进行思考和改进,学生特别喜欢这样的操作，把现代教育技术运用于中学物理实验教学是课标倡导的教学行为.

2016年高考物理的另外两个“验证机械能守恒定律”的试题侧重于考查学生对实验数据的处理,现摘录如下.

例3(2016年高考新课标1卷第22题):某同学用图3所示的实验装置验证机械能守恒定律,其中打点计时器的电源为交流电源,可以使用的频率有20Hz、30Hz和40Hz.打出纸带的一部分如图4所示.

图3

图4

该同学在实验中没有记录交流电的频率f,需要用实验数据和其他题给条件进行推算.

(1) 若从打出的纸带可判定重物匀加速下落,利用f和图4中给出的物理量可以写出:在打点计时器打出B点时,重物下落的速度大小为____________,打出C点时重物下落的速度大小为____________,重物下落的加速度大小为____________.

(2) 已测得S1=8.89cm，S2=9.50cm，S3=10.10cm，当地重力加速度大小为9.80m/s2,实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的1%,由此推算出f为____________Hz.

本题考查了纸带数据处理与分析，解决这类问题的关键是会根据纸带数据求出打某一点时的瞬时速度、整个运动过程的加速度，解决本题要特别注意的是打点计时器的频率不一定是平常用的50Hz.

例4(2016年高考北京卷第21题):利用图5装置做“验证机械能守恒定律”实验.

图5

(1) 为验证机械能是否守恒,需要比较重物下落过程中任意两点间的( ).

A. 动能变化量与势能变化量

B. 速度变化量和势能变化量

C. 速度变化量和高度变化量

(2) 除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、电磁打点计时器、导线及开关外,在下列器材中,还必须使用的两种器材是( ).

A. 交流电源 B. 刻度尺

C. 天平(含砝码)

(3) 实验中,先接通电源,再释放重物,得到图6所示的一条纸带.在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C,测得它们到起始点O的距离分别为hA、hB、hC.

图6

已知当地重力加速度为g,打点计时器打点的周期为T.设重物的质量为m.从O点到B点的过程中,重物的重力势能变化量ΔEp=____________,动能变化量ΔEk=____________.

(4)大多数学生的实验结果显示,重力势能的减少量大于动能的增加量,原因是( ).

A. 利用公式v=gt计算重物速度

C. 存在空气阻力和摩擦力阻力的影响

D. 没有采用多次实验去平均值的方法

(5) 某同学想用下述方法研究机械能是否守恒,在纸带上选取多个计数点,测量它们到起始点O的距离h,计算对应计数点的重物速度v,描绘v2-h图像,并做如下判断:若图像是一条过原点的直线,则重物下落过程中机械能守恒,请你分析论证该同学的判断是否正确.

解析:(1) 由机械能守恒定律可知,实验只需要比较动能的变化量和势能的变化量，所以选A;

(4) 实验过程中存在空气阻力,纸带在运动过程中受到摩擦力的作用,C选项正确;

解决本题的关键是掌握实验的原理,确定器材，掌握纸带的处理方法,会通过纸带求解瞬时速度的大小.分析匀变速直线运动情况时,其两个推论能使我们更为方便解决问题：(1) 在相邻的相等时间内通过的位移之差是一个定值,即Δx=aT2；(2) 在选定的某一过程中,中间时刻瞬时速度等于该过程中的平均速度.

本题的考查重点是对实验原理的理解,即为什么通过比较下落过程中动能与势能的变化就可以验证机械能守恒定律,这也是对教材中所学知识的应用,是重点也是难点.本实验意在培养学生的建模、观察和实验操作、分析等方面的能力.“验证机械能守恒定律”实验是高中物理中十分重要的实验,因为它是打点计时器的使用、长度的测量、运动学规律、能量的不同形式及其转化等实验的综合,对培养学生动手实验、分析等能力十分有益.在本实验中,实验设计采用自由落体这样的“过程模型”,在对实验所得数据进行比较的基础上，要分析实验误差,改进实验操作来减小误差,做好本实验的关键是尽量减小重物下落过程中的阻力,但阻力不可能完全消除,误差的主要来源是纸带所受摩擦力和空气阻力.由于重物及纸带在下落中要不断地克服阻力做功,因此物体动能的增量必稍微小于重力势能的减少量,这是系统误差.如果误差太大,需要进行误差原因分析,改进后重新进行验证.通过验证性实验,可以提高我们对事物的认识,建立科学的世界观,领悟实验设计思想和方法,实现知识的迁移,为我们进一步进行探究性和设计性实验奠定基础.