物理實驗：驗證機械能守恒定律

王聆語

【摘 要】《機械能守恒定律》這一節(jié)內(nèi)容具有承上啟下的作用，不僅為后面學習靜電場的研究方法打下了基礎，同時也是對前面所學知識的重要補充，是對牛頓三定律為核心基礎力學所研究的《機械運動》部分的進一步理解和完善。理論學習相對抽象，學生不易理解，為了印證這個定律的科學性，采用氣墊導軌設計實驗，同學們親手操作實驗步驟，得到了實驗數(shù)據(jù)，處理分析后得到實驗結論，可以使同學們對這部分知識點的認識更加深刻，記憶更加牢固。

【關鍵詞】驗證;機械能守恒定律

【新課引入】

勇敢者的游戲：用細線將重物懸起，請一位學員靠近，將重物拉至學員鼻子處釋放，擺回時，觀察重物能否碰到該同學的鼻子;觀察重物擺動幅度是否有變化。通過游戲互動，問題引導，激發(fā)學員學習的興趣，引出課題“機械能守恒定律的驗證”。

【實驗目的】

知識和能力

1、理解實驗的設計思路，明確實驗中需要測量的物理量。

2、能正確進行實驗操作，能夠根據(jù)實驗數(shù)據(jù)的分析得出實驗結論。

過程和方法

通過氣墊導軌來驗證機械能守恒定律，體驗驗證過程和物理問題的研究方法。

情感態(tài)度和價值觀

1、通過實驗驗證，體會學習的快樂，激發(fā)學習的興趣。

2、通過親身實踐，樹立“實踐是檢驗真理的唯一標準”的科學觀。

3、培養(yǎng)學生的觀察和實踐能力，培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度。

【實驗儀器】

氣墊導軌、光電門、滑塊、重物、細繩、數(shù)字毫秒計、天平

【實驗原理】

機械能守恒定律：物體系統(tǒng)在運動過程中，如果只有保守內(nèi)力（重力或彈力）做功，其它力不做功或做功的代數(shù)和為零，那么系統(tǒng)的動能與勢能可以相互轉化，但其總和保持不變，這個結論簡稱為機械能守恒定律。

要點：（1）動能和勢能相轉化（2）只有重力或彈力做功。

【驗證方法】

如果兩個式子相等，即可驗證機械能守恒。

實驗裝置圖：

如圖1所示，本實驗將在氣墊導軌上進行，氣墊導軌是一種較為理想的力學實驗設備。它利用從導軌表面噴出的壓縮空氣，在導軌與滑行器之間形成空氣薄膜，浮起滑塊，使滑塊懸浮在導軌表面，從而大大減少了物體運動時的摩擦阻力，為測量創(chuàng)造了比較理想的實驗條件。

把滑塊放在水平導軌上，滑塊和重物由細繩相連掛在滑輪上，由重物、滑塊、細繩和滑輪組成的這一系統(tǒng)，其系統(tǒng)所受到的合外力大小等于重物的重力減去阻力，在本實驗中阻力可忽略，因此重物的重力就等于作用在系統(tǒng)上合外力的大小。系統(tǒng)的質量M就等于重物的質量、滑塊的質量和滑輪的折合質量的總和.

在導軌上相距S的兩處放置兩光電門，當滑塊在重物的作用下開始滑動，滑塊上的遮光片依次通過光電門時，即可在數(shù)字毫秒計上得到滑塊通過兩光電門和速度v1和v2。

如圖2，遮光片這四條邊依次經(jīng)過光電門，光電門會記錄第一條邊到第三條邊的時間t，而我們能測得這兩條邊的距離，由于較窄，所以在范圍內(nèi)，滑塊的速度變化比較小，故可把平均速度/t，看成是滑塊上遮光片經(jīng)過光電門的瞬時速度。這個計算過程是通過數(shù)字毫秒計實現(xiàn)的，數(shù)字毫秒計還可以計算加速度，所以我們要把光電門和數(shù)字毫秒計相連，功能選擇在加速度的檔位，我們可以直接在數(shù)字毫秒計上讀出速度和加速度的大小。

【實驗內(nèi)容與步驟】

采用“調(diào)放讀測”四步操作，分別是：

1、正確連接實驗裝置，并調(diào)節(jié)氣墊導軌水平，然后調(diào)節(jié)好兩個光電門之間距離為50cm，接著調(diào)節(jié)數(shù)字毫秒計的功能選項。

2、打開氣源，將滑塊置于光電門1的外側，細繩繞過滑輪，釋放重物，拉滑塊在導軌上運動。

3、當滑塊通過兩個光電門后，讀出系統(tǒng)的速度V1和V2。

4、用天平稱出此時重物的質量m和滑塊的質量M，將數(shù)據(jù)填表。

為了減小隨機誤差，整個實驗重復3-5次，將數(shù)據(jù)填表。

【實驗數(shù)據(jù)記錄與處理】

依據(jù)實驗，采集整理以下信息

根據(jù)公式，對實驗數(shù)據(jù)進行計算處理，判斷是否能夠驗證機械能守恒定律。

【總結分析】

1、系統(tǒng)誤差：細繩與滑輪的阻力、空氣阻力的影響。數(shù)據(jù)相差較小，在誤差允許范圍內(nèi)，符合實驗要求，實驗驗證是成功的。

2、人為失誤：在“調(diào)放讀測”四步出現(xiàn)操作失誤。

一調(diào)：氣墊導軌沒有調(diào)平，就開始做實驗，使得勢能變化量過小，產(chǎn)生誤差。

二放：細繩長度太長，當重物落地不再提供拉力，滑塊減速靠慣性移動到第二個光電門，使得v2小于v1，得出的動能變化量是負值。

三讀：在數(shù)字毫秒計上讀出的速度單位是cm/s，計算時沒換算，數(shù)值偏差很大。

四測：用天平測量滑塊質量后，沒有調(diào)平，進而測量重物的質量產(chǎn)生了誤差。