淺談對機(jī)械能守恒定律的驗證

【摘 要】隨著新課改的發(fā)展和推動，在當(dāng)今的高中物理教學(xué)中，實驗成為了一項非常重要的教學(xué)手法。實驗不僅能讓學(xué)生深入理解物理概念和物理知識，而且可以提高學(xué)生的動手操作能力和課本知識感知能力。本文將針對機(jī)械能守恒定律的驗證實驗進(jìn)行分析和探索，希望能給廣大教師提供一些幫助。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械能守恒;高中物理;物理實驗;實施方法

【中圖分類號】G642.477 ??????【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】2095-3089（2019）16-0288-02

機(jī)械能守恒定律，是高中物理教學(xué)中的一個重要板塊。也是高中生在學(xué)習(xí)物理過程中必須要進(jìn)行的實驗，更是當(dāng)前高中考試和升學(xué)考試中的一個熱門題型。由此可見，機(jī)械能守恒定律的驗證實驗對于高中生來講是非常重要的。在此，本文對其作出分析：

一、基本原理

教師明確給學(xué)生：每當(dāng)在重力或者彈力為做功的物體系統(tǒng)之內(nèi)，動能與勢能就能實現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化和相互干預(yù)，而物體系統(tǒng)總的機(jī)械能則能保持不變，正常運(yùn)作。

二、重物選擇

在進(jìn)行實驗的時候，讓物體通過自由落體的方式下落。以研究物體自由下落過程中，動能與勢能的相互變化和干預(yù)，來驗證機(jī)械能守恒定律。

首先，教師要讓學(xué)生知道實驗存在的誤差都有哪些，如：第一是物體下落會受到空氣阻力的影響和干預(yù)。第二是自帶和打點計時器之間會產(chǎn)生一定的摩擦，而摩擦則會產(chǎn)生相應(yīng)的阻力。因此，在重物自由下落的過程中，減少的重力勢能總是要大于增加的重力勢能。這時候，學(xué)生會進(jìn)行思考，最終，為了讓實驗減小誤差，在允許的條件下，會采用重物質(zhì)量為300g的生鐵重錘。

隨后，教師可以告訴學(xué)生：若單一驗證機(jī)械能守恒與否，則大可不必測量生鐵重錘的質(zhì)量，只要滿足重力勢能的減少量與動能的增加量就能實現(xiàn)驗證目的。但是，若要對重力勢能減少量與動力的增加量兩者的數(shù)值進(jìn)行對比，就需要利用天平精確的測出生鐵重錘的準(zhǔn)確質(zhì)量為多少。這時候?qū)W生則會明白，為什么要測出生鐵重錘的準(zhǔn)確質(zhì)量。

三、初、末位的確定

實驗之前，要認(rèn)真選擇一條比較耐用的實驗紙帶，假如重物機(jī)械能守恒，重物落體的第一個時間段為0.02秒，位移為h=〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗gt2=〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗×9.8×0.022m=0.002m。這時可得出，2mm。由此可見，從紙帶開始落體的最初亮點之間時間階段大約為2mm的時候，做出的實驗效果是最好的。

假如選取生鐵重錘之后，開始的落體點為初始位置，那么初始動能就為0。在取自此之后清晰的某一點為末位置，并且以其位置將其設(shè)定為0勢能面，那么，這時候需要進(jìn)行驗證的機(jī)械守恒定律的公式就是：mgh=〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗mv2了。

如，之后取下落后某點的位置，將之作為初位置，打初位置點時，生鐵重錘的動能是〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗mv21。然后，再取這一點之后清晰的某點作為末位置，并且以該位置作為0勢能面，打此點時，生鐵重錘的動能應(yīng)該是〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗mv22。那么，這時候需要驗證的機(jī)械能守恒定律的公式就是：〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗mv21+mgh=〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗mv22。

四、動能與勢能測定

重力勢能的正確表達(dá)方式為mgh。H指的是初、末位置之間的距離關(guān)系。而關(guān)于動能〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗mv2里面，速度的測量時候，有一種做法是采用紙帶上的時間間隔為n，得出落體時間為0.01ns的結(jié)論，再通過v=gt這一公式得出最后的速度數(shù)據(jù)。但是因為空氣阻力的影響所產(chǎn)生的摩擦力，生鐵重錘在落體的加速度取g顯然是不合理的。與此同時，因為紙帶打點清晰度條件不夠，在計算落體時間階段間隔數(shù)n的時候，其準(zhǔn)確性就會失去保障。因此，這種做法可以排除掉。而另一種方法為：利用h，根據(jù)v2=2gh來得出最終的速度數(shù)據(jù)。與之前一樣，因為空氣阻力的干擾和影響，生鐵重錘在爐體的加速度取g同樣不合理，這時候，采用需要驗證的機(jī)械能守恒定律的結(jié)論來進(jìn)行速度推導(dǎo)，從邏輯關(guān)系方面來講，也是不正確的。最后，可以得出正確的做法為：測量出之前選定位置的前后兩點之間的距離數(shù)據(jù)，然后使用v=xn+〖SX（〗xn+1〖〗2T〖SX）〗的計算方式，將這一距離之間的落體平均速度計算出來，然后再利用落體平均速度替換瞬時速度。

五、數(shù)據(jù)處理方式

在實驗之后，要做的第一項工作就是讓學(xué)生進(jìn)行測量和記錄數(shù)據(jù)，并且制作表格，把數(shù)據(jù)有規(guī)律的、整齊的排列起來。它不僅能反映出相應(yīng)的物理定量和變量之間的關(guān)系以及變化情況，而且可以清晰明了的將各種數(shù)據(jù)和測量結(jié)果呈現(xiàn)在學(xué)生面前，讓學(xué)生更深刻的、更全面的了解其實驗方法和實驗結(jié)果。這時候，學(xué)生通過觀察和數(shù)據(jù)對比分析，就能明白機(jī)械能守恒定律的驗證結(jié)論。

教師在實驗過后，引導(dǎo)學(xué)生探索物理量之間的關(guān)聯(lián)時，可以把測量出的數(shù)據(jù)通過曲線統(tǒng)計圖的方式表述出來。統(tǒng)計圖不僅能突出物理變量之間的關(guān)系和函數(shù)的極值、突變以及周期性等，而且還能通過一次函數(shù)或者正比例函數(shù)來分析判斷兩個物理量之間的變量和關(guān)聯(lián)。此次實驗以〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗v2-h做出圖像是一條直線，生鐵重錘在受阻時產(chǎn)生的力暫時忽略，這是直線的斜率就是重力加速度g，這時候，學(xué)生就會明白生鐵重錘落體時機(jī)械能守恒的定律。

六、例題鑒賞

為了全面加強(qiáng)學(xué)生對課堂知識的理解，教師可采用歷年來高考題目作為參考，讓學(xué)生進(jìn)行例題鑒賞。以此加強(qiáng)學(xué)生的物理綜合學(xué)習(xí)能力。

如：用實驗裝置進(jìn)行機(jī)械能守恒定律的驗證。弧形軌道末端水平，離地高度H。鐵球從軌道h處自然釋放，落點距離軌道末端水平距離為s。這時候，學(xué)生可能這樣解題：機(jī)械能守恒定律mgh=〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗mv2，以平拋規(guī)律為準(zhǔn)，豎直方向H=〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗gt2，水平則為s=vt，由此可得出s2和h之間為s2=4Hh。

總之，在開展高中物理課堂實驗的時候，教師要秉承著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，在實驗過程中，任何有關(guān)于實驗的內(nèi)容都需要就講解清楚，任何影響實驗的環(huán)境都要考慮進(jìn)去。只有這樣，才能讓學(xué)生養(yǎng)成一種有利于學(xué)習(xí)的態(tài)度。

參考文獻(xiàn)

[1]趙堅.關(guān)于與機(jī)械能守恒相關(guān)的一些問題的探討[J].物理教師，2019，40（05）：62-65.

[2]黃梅花.核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的高效實驗課探索——以“驗證機(jī)械能守恒定律”的實驗教學(xué)為例[J].中學(xué)理科園地，2019，15（02）：49-50.

作者簡介：張斌（1989.1.9-），男，籍貫：云南石林，單位：貴州省威寧縣第九中學(xué)，職稱：中學(xué)二級，研究方向：高中物理。