“探究重力势能大小的影响因素”实验改进

陈远毅 潘玲君

[摘 要]教材里探究重力势能大小的影响因素的实验，存在精准性不高、可见性差、不严瑾等不足，经过分析研究，笔者认为让小球撞击弹簧，通过弹簧的压缩量来比较重力势能的大小，实验效果更优。

[关键词]重力势能；影响因素；实验改进；弹簧

[中图分类号] G633.7[文献标识码] A[文章编号] 1674-6058（2018）11-0049-01

一、课本实验的缺点

浙教版科学教材中，在做“探究重力势能大小的影响因素”实验时，利用小球撞击沙子，并通过沙子的凹陷程度来比较重力势能的大小。这个实验存在三个缺点。

1.精准性不高。特别是当两个物体重力势能相差不大时，很难区分沙坑的凹陷程度。而且沙坑的凹陷程度既要考虑深度又要考虑广度，这也影响了其精准性。

2.作为演示实验时，可见性差。因为沙子放在容器内，学生坐在座位上，由于视角的关系，学生根本无法直接观察到沙坑的凹陷程度。

3.研究质量大小对重力势能大小的影响时，课本中选择了一个实心和一个空心的小球进行实验，这其实是不够严谨的。试想一下，如果没有空气阻力，根据加速度公式，两个小球下落到底部时速度变化量是一样的。但是现实中存在空气阻力，两个平均密度不同的小球下落到底部时速度变化量是不一样的，也就是说它们的机械能损耗量是不一样的。我们可以先简单地用极限法分析一下，如果一个铁球和一个泡沫球从同一高度自由落下，在有空氣阻力的情况下，它们的加速度肯定是不同的，也就是它们到达底部的时候速度是不可能相等的。这也就是为什么我们在研究物体质量对动能大小影响时没有选择一个空心和一个实心的小球，而选择密度相同、质量不同的两个小球从斜面的相同高度滚下的原因，因为只有这样才能尽可能确保两个小球从斜面上滚下来的时候加速度相等，从而尽可能使两个小球撞击物体的时候速度相等。所以研究质量大小对重力势能大小的影响时，也应该用两个密度相同、质量不同的小球进行实验。但是这么一来体积大小又会影响沙坑的凹陷程度，所以说像课本中这样撞击沙子的方法是不严谨的。

二、实验改进

基于以上缺点，笔者设法让小球撞击弹簧，通过弹簧的压缩量来比较重力势能的大小，但是弹簧会恢复原状不容易观察，所以笔者用留迹法留下痕迹，笔者在弹簧上固定了一支圆珠笔芯，把它们放在针筒里面，并在针筒的两侧刻出小孔，然后把针筒固定在铁架台上。在铁架台的主干上包上厚厚的纸筒，让圆珠笔芯刚刚接触纸筒。当小球撞击弹簧时，圆珠笔芯就可以在纸筒上留下痕迹，那我们就知道弹簧被压缩的最低点在哪里，而且纸筒还可以旋转，可以很方便地进行多次实验。如有必要，外层纸还可以拆下来进行详细的数据分析或保留实验证据。

三、实验操作

第一次，让一个小球从较低的位置自由落下，纸上留下了第一个极低点。第二次，旋转纸筒，让这个小球从更高的位置自由落下，纸上留下第二个极低点（比第一个更低）。说明物体的质量一定时，高度越高，重力势能越大。第三次，再旋转纸筒，让一个质量较小的小球从和第二次一样高的高度自由落下，纸上留下第三个极低点（比第二个极低点高），说明物体高度相同时，质量越大，重力势能越大。

四、改进后教具的优点

1.精准性高，哪怕两个物体重力势能相差很小都可以比较出来。

2.作为演示实验可见性好。笔者做了一个粉笔套，演示时，一头套上粉笔，另一头套在圆珠笔芯上。将针筒旋转一定角度使粉笔刚好接触黑板，就可以直接在黑板上留下痕迹，这样全班同学就可以直接观察到实验的整个过程。

3.科学性好。研究高度对重力势能大小的影响时，选择密度相同、质量不同的两个小球可以更有效地缩短空气阻力对小球机械能损耗带来的影响。

4.容易推广。笔者使用的实验材料都是学校里很常见的，且制作简单，极易推广。

（责任编辑 易志毅）