应用“探究加速度与力、质量的关系”装置验证机械能守恒定律的思考

陈燕 王加元

(江阴市成化高级中学 江苏 江阴 214423)

冯杰

(上海师范大学数理学院 上海 200235)

文献[1]介绍了近几年高考中以“探究加速度与力、质量的关系”装置为基础的6个探究性实验.赏析了这些实验的探究思想,充分认识这个力学实验中探究性实验的代表.受到作者的启发,笔者结合实际教学谈谈在高三一轮的复习中利用这一装置验证机械能守恒定律这个实验,为今后这类实验的教学提供参考.

下面的试题就是利用上述实验的变式探究机械能守恒定律.

【题目1】(2010年高考海南卷)利用气垫导轨验证机械能守恒定律,实验装置如图1(a)所示.

图1

(1)实验步骤

1)将气垫导轨放在水平桌面上,桌面高度不低于1 m，将导轨调至水平；

2)用游标卡尺测量挡光板的宽度l,结果如图1(b)所示,由此读出l=______mm；

3)由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s=______cm；

4)将滑块移至光电门1左侧某处.待砝码静止不动时,释放滑块,要求砝码落地前挡光条已通过光电门2；

5)从数字计时器(图1(a)中未画出)上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2所用的时间Δt1和Δt2；

6)用天平称出滑块和挡光条的总质量M.再称出托盘和砝码的总质量m.

(2)用代表直接测量出的物理量的符号写出下列所求物理量的表达式

1)滑块通过光电门1和光电门2时得瞬时速度分别为v1=______和v2=______；

2)当滑块通过光电门1和光电门2时,系统(包括滑块、挡光条、托盘和砝码)的总动能分别为Ek1=______和Ek2=______；

3)在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中,系统势能的减少量ΔEp=______(重力加速度为g).

(3)如果ΔEp≈______,则可以认为验证了机械能守恒定律.

答案:(1) 2)9.30； 3)60.00(59.96～60.04)

3)系统势能减少量ΔEp=mgs.

(3)若ΔEp≈Ek2-Ek1,则可认为系统机械能守恒.

点评：这个实验中使用的气垫导轨和利用光电门求速度,有的学生对它很陌生.事实上在人教版《物理·必修1》科学漫步有介绍,这个实验恰到好处地挖掘了教材.但在高三复习时,学生不重视课本,不愿意花时间研读教材.这样的策略导致越到后期越发觉得做物理题目不易得分,没有成就感,害怕甚至不愿意做物理题;久而久之,兴趣淡了,效果变差了.所以新课改倡导探究性学习.在新课的教学中作为教师不可以图一时的方便而忽略对学生的实验探究能力的培养.条件许可尽时，可能地把物理与STS结合,加强过程与方法的教学,提高学生的动手能力,培养学生的物理思维.

这样的实验思想在其他试卷上也有体现.

【题目2】(2010年江苏省苏锡常镇四市调研试卷)某同学想利用如图2(a)所示的装置来验证由小车A与重物B组成的系统机械能守恒.

图2

(1)提供的器材

A.小车 B.重物 C.一端带有滑轮的长木板

D.细绳 E.电火花计时器 F.纸带

G.毫米刻度尺 H.低压交流电源

I.220 V交流电源 J.6 V蓄电池 K.天平

实验中不需要的器材是______(填写选项前的符号).

(2)对重物B质量的选择要求是______(填写如下选项前的符号).

A.质量大一些 B.质量小一些

(3)主要实验步骤

A.用天平分别测出小车及重物的质量为M，m

B.按图安装好装置：将带滑轮的平板水平放置,挂重物后,细绳须与木板平行

C.将小车拉至靠近打点计时器,接通电源,释放小车

D.取下纸带,并重复多次,得到几条打点纸带.选用点迹清晰的纸带进行数据处理.

在该实验中有一重大疏漏,请考生指出并改正：____________.

(4)数据处理

将改正实验疏漏后得到的纸带,去掉前面较密集的点,选择点迹清晰且便于测量的连续点0～6,测出各点间距离如图2(b)所示,已知电火花计时器的打点周期为T,要验证在第1点与第5点时系统的机械能相等,则在误差范围内应满足关系式____________.

答案：(1)由于在选项中提供三个电源,电火花计时器电源直接采用220 V交流电源,所以H，J这两个器材不需要.

(2)A；

(3)应平衡摩擦力；

(4)mg(d5-d1)=

点评：这道题目与2010年海南高考题的区别在于没有提供气垫导轨.气垫导轨上有很多小孔,利用气泵送来的压缩空气从小孔喷出,使得滑块与导轨之间有一层薄薄的空气,两者不会直接接触.滑块运动时受到的阻力很小,几乎可以忽略.而这一题中第(3)题设置要求学生平衡摩擦力.笔者认为平衡摩擦力后,摩擦力做负功,系统机械能不守恒.事实上系统减少的重力势能应为小车和重物两者减少的重力势能之和.虽然为了减少小车重力势能变化带来的影响,在第(2)题中提出对重物质量的要求:要求重物的质量大一些,但在设计思想上这个实验不如2010年海南高考题严密.

镇江市2010-2011学年度高三第一学期调研测试，再次将这个模型用于验证系统的机械能守恒.

【题目3】 某同学利用如图2(a)所示的装置来验证由小车与钩码组成的系统机械能守恒

(1)提供的器材

A.小车 B.钩码

C.一端带滑轮的长木板 D.细绳

E.电火花打点计时器 F.纸带

G.毫米刻度尺 H.游标卡尺

I.低压交流电源 J.220 V交流电源

实验中不需要的器材是______.(填写器材前的符号),还需要的器材是______；

(2)为尽可能消除摩擦力对本实验的影响,使验证结果尽可能准确,则小车质量M和钩码质量m的关系应该满足______;

(3)小明和小军同学在做该实验时,小明认为只要采用平衡摩擦力的方法将摩擦力平衡掉就可以了,无须满足(2)问中小车质量M和钩码质量m的关系,而小军却否认小明的看法,你认为小明的看法______(选填“正确”或“不正确”),理由是______;

(4)两位同学统一观点后完成实验,得到一条纸带,去掉前面比较密集的点,选择点迹清晰且便于测量的连续7个点(标号为0～6),测出相关距离如图2(b)所示,要验证在第2点与第5点时系统的机械能相等,则应满足关系式______.(设小车质量M,钩码质量m,打点周期为T.)

答案 (1)H，I；天平.

(2)M≪m；

(3)不正确；平衡摩擦力后,摩擦力做负功,系统机械能不守恒.

(4)mg(d5-d2)=

点评：这道题第⑵问尽可能消除摩擦力对本实验的影响,要求小车质量远小于钩码质量.笔者认为,摩擦力的影响只能减至很小,谈完全消除则不妥;在第(3)问中小明同学的观点不正确,理由是平衡摩擦力后,摩擦力做负功,系统机械能不守恒.似乎不做平衡摩擦力这步操作也可以完成实验.若不做,系统减少的重力势能就是钩码减少的重力势能,系统增加的动能为小车和钩码增加的动能之和,肯定有ΔEp减大于ΔEk增；主要在于克服小车所受的摩擦力做功,即为μMg(d5-d2).所以要减小摩擦力的影响,必须使小车质量相对很小,即M≪m.若完成平衡摩擦力这步操作,系统的机械能也不守恒, 对系统而言,小车和钩码重力势能的减少不仅增加了系统的动能,而且用于克服小车所受的摩擦力做功.其中小车的重力势能的减少用于克服小车受到的摩擦力做功,从验证用的表达式看:只能说钩码重力势能的减少更接近于系统动能的增量.

在操作平衡摩擦力时,克服摩擦力做功一定小于μMg(d5-d2),即小车重力势能的减少必定小于μMg(d5-d2).相比于两种做法,两种情况下“系统”的机械能都不守恒.但笔者认为在满足小车的质量M远小于钩码的质量m的前提下,还是操作平衡摩擦力系统的误差会小些.

三道题目皆来源于课本并高于课本,很好地挖掘了传统实验,并在原实验上有创新.实践表明学生的得分率不高,尤其搞不定小车质量与下面悬挂物(重物或钩码)两者质量应满足的关系,易与探究加速度与力的关系这个实验中两者的关系混淆.评讲时学生能理解,在实战时学生有畏难情绪,不愿仔细分析,凭着记忆写一下,导致得分率不高.

显然3个题目中2010年的全国高考海南卷的质量更高一筹,那个实验既考查刻度尺与游标卡尺两种不同长度测量工具的读数,又融合验证机械能守恒定律这个实验,将气垫导轨应用于实验中,有效地减小了摩擦的影响.另两题的设计也能有效地培养学生分析问题的能力.

参考文献

1 蓝坤彦.“探究加速度与力、质量的关系”经典实验题的精彩变式.中学物理教学参考,2011(03):36～38