浅谈高中物理机械能守恒实验的设计

刘轩维

摘  要 以教材中的机械能守恒实验为例，对机械能守恒实验设计、实验内容、注意事项等进行探究，深入分析机械能守恒实验中的操作要点及难点。

关键词 机械能守恒;实验;高中物理;实验装置

中图分类号：G633.7    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）19-0127-03

1 前言

高中物理实验具有引导性、多元性和开放性特点，对提升学生的物理知识和能力水平具有重要作用。随着开放性教学体系的构建，物理实验课堂有了更加广泛的操作空间和探究空间。在实验过程中可以从不同的角度出发，对实验内容进行拓展，探究不同装置下的实验效果，以全面提升物理实验效益。在机械能守恒实验中就对其实验装置进行了优化和完善，大大提升了机械能守恒实验验证的时效。

2 机械能守恒实验的主要内容

机械能守恒是指在只有重力（或弹力）做功的情况下，物体的重力势能（或弹性势能）和动能发生相互转化，但总机械能保持不变。在机械能守恒定律运用过程中需要保证：在系统内部只有重力和弹簧力做功，除重力和弹簧力以外的做功均不可认为机械能守恒，即除重力和弹簧力以外的力做功其代数和应为零;要保证系统内只有动能和势能的相互转化，并且保证其转化量相等，这样才符合机械能守恒定律。

尤其是在机械能守恒实验过程中，要把握好上述原理，依照该原理开展实验设计，做好动力势能与重力势能或弹性势能的分析及相关实验装置设计;要对动能和重力势能的变化进行合理研究，通过实验装置测定物体的动能及势能状况，对两者求和，确定其机械能的变化状况;要对外部环境因素进行把握，最大限度降低外部环境因素对实验的影响，尤其是摩擦力、空气阻力大等对动力势能及重力势能的影响，这样才能够保证机械能守恒实验的准确性。

3 机械能守恒实验的设计方案

设计原理  本次实验过程中要对各个装置的功能进行明确。首先，通过天平对物体的质量进行测量，并依照该质量数据和重物下落的高度计算重物的重力势能。其次，将重物与纸带连接，以纸带下落过程中打点计时器在纸带上留下的点的位置代替重物下落的高度，从而避免测量重物下落过程中可能出现的定位问题及误差。以纸带下落高度代替重物下落高度更加便于测量，在一定程度上降低了机械能守恒实验的难度。最后，使用打点计时器在纸带上定时（0.2 s/次）进行打点，这样纸带上的计数点的瞬时速度都可以进行计算，从而得到重物下落过程中的动力势能，以验证仅在重力做功下系统是否机械能守恒。

设计要点  实验开展的过程中要先准备实验装置，其包括秒表、纸带、刻度尺、天平、打点计时器、复写紙片、导线、电、带有铁夹的铁架台、重锤、电源等。运用这些装置进行机械能守恒实验的设置，其具体状况见图1。

这是课本中的机械能守恒实验装置，该装置内容较为简单，能够直观看到重物下落状况并运用打点计时器对重物运动进行记录，是机械能守恒验证的重要方案，其具体操作内容及注意事项见表1。

对上述操作步骤进行分析后可以发现：实验选用仪器的实际性能在一定程度上无法满足机械能守恒定律实验要求。这主要是由于铁夹夹住打点计时器的过程中很容易出现振动，其稳定性较差导致。在该实验时容易出现纸带脱落或位置偏移等，导致实验结果出现严重误差。

从图1中可以发现，在机械能守恒实验开展过程中，铁架上固定的是打点计时器，该铁夹为一般的单轴夹，稳定性较差。尤其是在松开纸带向下移动的过程中，打点计时器需要不断在纸带上面打点，铁夹固定效果较差，存在一定的震动。通过实验测定打点计时器打点中产生的作用力为2 N，而铁夹稳定状态下可承受力的最大值为1.8 N，铁夹夹住打点计时器时肉眼观察存在明显的震动。对其打点出来的位置进行对比分析后发现：打出的点的间距小于实际的自由落体运动的位置间距。这是由于打点计时器振动与纸面出现摩擦导致，实验结果存在明显的误差。

而通过松手让纸带自由下落这一方式，在实际操作过程中也很容易出现操作问题。手提起纸带释放的过程中很难保证手的稳定，在松手的一瞬间，纸带很容易出现偏离，造成纸带与打点计时器之间存在摩擦，从而影响打点计时器打点位置的准确性。除此之外，在实验过程中发现，用手松开纸带让其自由下落这一实验方式，很容易造成纸上前段点的位置无法确认。一般实验中第一个点为一堆点，而第二、第三个点确定时却很难判断纸带运动位置。

课本上为了解决上述问题，选择将后面部分划分为第四、第五、第六部分，将前面部分划分为第一、第二、第三部分，形成前后两个部分进行计算。这种方法操作较为简便，但无法对前面点进行准确分析，在实验过程中有待改进。

设计难点  为进一步提升机械能守恒实验的可操作性，在实际实验过程中对机械能守恒实验的装置进行了调整。操作过程中可以将单支架改变为双支架，在原有的左侧支架右侧重复固定另一支架，对打点计时器进行稳定，以减小打点计时器震动对实验造成的影响。除此之外，在两支架中设置夹子，用夹子夹住纸带，从而避免用手直接松开纸带造成的纸带位置偏移。在实验操作过程中，只要将两支架中心的夹子松开，即可让纸带自由下落，以最大限度减少人为操作对实验的影响。在设置夹子过程中，操作时可以先进行实验，观察夹子和纸之间是否存在摩擦，一定要保证夹子和纸带垂直下落的位置在竖直平面上且呈现90°角。

完成上述装置改进后，将实验中获得的各项数据填入数据表格中，进行重物下落过程中重力势能和动能的计算验证，确定其动能及重力势能的和数值是否发生改变，对机械能守恒状况进行分析，具体状况见表2。

4 机械能守恒实验的拓展

随着物理学习内容的逐渐深入，可以发现机械能守恒实验可以转变成多种形式的实验内容。在实验开展过程中需要在传统实验基础上进行改进和拓展，对机械能守恒的不同形式进行合理分析。尤其是在操作中需要对各项环境下的机械能守恒进行验证，把握好机械能守恒的性质，这样才能够从根本上提升对机械能守恒的认识，实现机械能守恒问题的高效处理。

实验小组在机械能守恒实验开展时对教师讲解的内容进行整理和分析，结合生活中常见情景构建拓展实验内容，其具体状况见图2。

第一套实验装置主要是验证砝码运动过程中的机械能守恒，对砝碼自由下降过程中其重力势能和动力势能的变化进行研究。松开细线后，砝码自由下落，通过光电门和挡光条滑块计算砝码下降的速度，使用导轨标尺对砝码下降的位移进行计算，从而得到机械能守恒实验中所需的数据。操作过程中需要最大限度降低细线与滑轮之间的摩擦力，这样才能够保证系统机械能守恒。

第二套实验装置中以垂直下落的位置和水平下落的位置来确定小球的速度。在该基础上计算小球的动力势能，并依据小球下落的高度计算小球的重力势能，判断小球在只受重力做功下是否机械能守恒。实验操作难度较大，但可以将以前学习到的平抛运动与机械能守恒定律结合在一起，有助于探究上述知识之间的关联，这对于日常物理知识的学习具有至关重要的作用。

在以上实验过程中要做好各项实验装置的设计，最大限度避免可能出现的人为操作误差。以机械装置代替人为操作，从而保证得到数据的准确性，从根本上提升对机械能守恒的认识，提高物理学习素养。

5 结语

物理实验的目的是提升认知，拓展思维。在机械能守恒实验开展过程中，可以对课本中的实验进行拓展，结合已学到的知识形成新型的机械能守恒验证装置，进行自主探究和问题处理。尤其是在机械能守恒实验开展时，能够集思广益，将课本中的装置转变为更加便捷的实验装置，真正实现理论学习和实践操作的整合，全面促进个人学习和发展。

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