验证机械能守恒定律实验的改进与创新设计

陈观杰

【摘要】物理实验既能培养学生的好奇心，激发学生对物理学习的兴趣，也能够培养学生的创新思维能力.机械能守恒定律验证实验是高中物理的一个开放性实验，学生可以充分发挥主观能动性，对实验进行改进与创新来对机械能守恒定律进行验证.本文从实验原理、实验器材和实验过程三个角度出发，介绍多种机械能守恒定律实验的创新设计，并列举两道典型例题，希望帮助学生打开思维，发挥想象，从多角度验证机械能守恒定律.

【关键词】机械能守恒定律；高中物理；实验教学

1 机械能守恒定律实验

实验原理 通过验证自由落体物体减少的重力势能和其自由落体过程中增加的动能相等，即可验证机械能守恒定律.

实验器材 实验装置如图1所示，器材包括打点计时器、电源、纸带、复写纸、重物、刻度尺、铁架台（含夹子）、导线两根.

数据处理 速度计算

实验结论 在误差允许的范围内，自由落体过程机械能守恒.

注意事项 计算物体在某一时间点的瞬时速度时，应该采用公式vn=hn+1－hn－1/2T，而不能用公式vn=2ghn或vn=gt来计算.

2 机械能守恒定律实验误差及改进方法

2.1 偶然误差

产生原因 测量长度带来的误差

3 机械能守恒定律实验的改进与创新设计

3.1 实验原理的创新

（1）如图2所示，利用压缩弹簧推动小球做平抛运动，根据平抛的位移确定球的初速度，记录下平抛位移和弹簧压缩量的数据，构建二者之间的关系图线，验证机械能守恒定律.

（2）如图3所示，细线的一端绑在小球上，另一端固定在铁架台上，将摆球拉到一定的高度，然后放开，小球在摆动的过程中，动能和势能相互转化，利用光电门测定摆球的瞬时速度，验证机械能守恒定律.

3.2 实验器材的创新

如图4所示，小球在重力作用下向上竖直抛出，然后利用高频相机拍照记录小球位置，根据动能和重力势能的转换，验证机械能守恒定律.

3.3 实验过程的创新

（1）如图5甲所示，金属球从A点自由落下，利用光电门测定金属球下落到B点的速度，结合1/t2－h图象（如图5乙）判定金属球下落过程中机械能守恒，同时还可以分析实验误差（ΔEp－ΔEk）随h的变化规律.

（2）如图6所示，通过钩码的自由落体运动带动滑块运动，滑块的瞬时速度则利用光电门进行监测收集，根据重力势能和动能的转换，验证机械能守恒定律.

4 創新实例

例题 某实验小组利用如图7所示的实验装置来验证钩码和滑块所组成的系统机械能守恒.已知当地的重力加速度为g.

（1）遮光条的宽度为d，钩码和滑块的质量分别为m1、m2，释放时遮光条位置读数x1，光电门位置读数x2（x1>x2），如何验证系统的机械能守恒？

（2）将滑块从不同位置由静止释放，得到多组数据，画出v2与（x1>x2）的关系图象为过原点的一条直线，求该直线斜率k的表达式.

【本文系贵港市教育科学“十四五”规划2023年度重点教研课题《基于核心素养的高中物理实验教学设计的研究》（课题编号：2023176，批准文号：贵教办［2023］5号）的研究成果之一.】