浅谈对机械能守恒定律的验证

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　　【摘 要】随着新课改的发展和推动，在当今的高中物理教学中，实验成为了一项非常重要的教学手法。实验不仅能让学生深入理解物理概念和物理知识，而且可以提高学生的动手操作能力和课本知识感知能力。本文将针对机械能守恒定律的验证实验进行分析和探索，希望能给广大教师提供一些帮助。
　　【关键词】机械能守恒;高中物理;物理实验;实施方法
　　【中图分类号】G642.477       【文献标识码】A
　　【文章编号】2095-3089（2019）16-0288-02
　　机械能守恒定律，是高中物理教学中的一个重要板块。也是高中生在学习物理过程中必须要进行的实验，更是当前高中考试和升学考试中的一个热门题型。由此可见，机械能守恒定律的验证实验对于高中生来讲是非常重要的。在此，本文对其作出分析：
　　一、基本原理
　　教师明确给学生：每当在重力或者弹力为做功的物体系统之内，动能与势能就能实现相互转化和相互干预，而物体系统总的机械能则能保持不变，正常运作。
　　二、重物选择
　　在进行实验的时候，让物体通过自由落体的方式下落。以研究物体自由下落过程中，动能与势能的相互变化和干预，来验证机械能守恒定律。
　　首先，教师要让学生知道实验存在的误差都有哪些，如：第一是物体下落会受到空气阻力的影响和干预。第二是自带和打点计时器之间会产生一定的摩擦，而摩擦则会产生相应的阻力。因此，在重物自由下落的过程中，减少的重力势能总是要大于增加的重力势能。这时候，学生会进行思考，最终，为了让实验减小误差，在允许的条件下，会采用重物质量为300g的生铁重錘。
　　随后，教师可以告诉学生：若单一验证机械能守恒与否，则大可不必测量生铁重锤的质量，只要满足重力势能的减少量与动能的增加量就能实现验证目的。但是，若要对重力势能减少量与动力的增加量两者的数值进行对比，就需要利用天平精确的测出生铁重锤的准确质量为多少。这时候学生则会明白，为什么要测出生铁重锤的准确质量。
　　三、初、末位的确定
　　实验之前，要认真选择一条比较耐用的实验纸带，假如重物机械能守恒，重物落体的第一个时间段为0.02秒，位移为h=〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗gt2=〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗×9.8×0.022m=0.002m。这时可得出，2mm。由此可见，从纸带开始落体的最初亮点之间时间阶段大约为2mm的时候，做出的实验效果是最好的。
　　假如选取生铁重锤之后，开始的落体点为初始位置，那么初始动能就为0。在取自此之后清晰的某一点为末位置，并且以其位置将其设定为0势能面，那么，这时候需要进行验证的机械守恒定律的公式就是：mgh=〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗mv2了。
　　如，之后取下落后某点的位置，将之作为初位置，打初位置点时，生铁重锤的动能是〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗mv21。然后，再取这一点之后清晰的某点作为末位置，并且以该位置作为0势能面，打此点时，生铁重锤的动能应该是〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗mv22。那么，这时候需要验证的机械能守恒定律的公式就是：〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗mv21+mgh=〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗mv22。
　　四、动能与势能测定
　　重力势能的正确表达方式为mgh。H指的是初、末位置之间的距离关系。而关于动能〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗mv2里面，速度的测量时候，有一种做法是采用纸带上的时间间隔为n，得出落体时间为0.01ns的结论，再通过v=gt这一公式得出最后的速度数据。但是因为空气阻力的影响所产生的摩擦力，生铁重锤在落体的加速度取g显然是不合理的。与此同时，因为纸带打点清晰度条件不够，在计算落体时间阶段间隔数n的时候，其准确性就会失去保障。因此，这种做法可以排除掉。而另一种方法为：利用h，根据v2=2gh来得出最终的速度数据。与之前一样，因为空气阻力的干扰和影响，生铁重锤在炉体的加速度取g同样不合理，这时候，采用需要验证的机械能守恒定律的结论来进行速度推导，从逻辑关系方面来讲，也是不正确的。最后，可以得出正确的做法为：测量出之前选定位置的前后两点之间的距离数据，然后使用v=xn+〖SX（〗xn+1〖〗2T〖SX）〗的计算方式，将这一距离之间的落体平均速度计算出来，然后再利用落体平均速度替换瞬时速度。
　　五、数据处理方式
　　在实验之后，要做的第一项工作就是让学生进行测量和记录数据，并且制作表格，把数据有规律的、整齐的排列起来。它不仅能反映出相应的物理定量和变量之间的关系以及变化情况，而且可以清晰明了的将各种数据和测量结果呈现在学生面前，让学生更深刻的、更全面的了解其实验方法和实验结果。这时候，学生通过观察和数据对比分析，就能明白机械能守恒定律的验证结论。
　　教师在实验过后，引导学生探索物理量之间的关联时，可以把测量出的数据通过曲线统计图的方式表述出来。统计图不仅能突出物理变量之间的关系和函数的极值、突变以及周期性等，而且还能通过一次函数或者正比例函数来分析判断两个物理量之间的变量和关联。此次实验以〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗v2-h做出图像是一条直线，生铁重锤在受阻时产生的力暂时忽略，这是直线的斜率就是重力加速度g，这时候，学生就会明白生铁重锤落体时机械能守恒的定律。
　　六、例题鉴赏
　　为了全面加强学生对课堂知识的理解，教师可采用历年来高考题目作为参考，让学生进行例题鉴赏。以此加强学生的物理综合学习能力。
　　如：用实验装置进行机械能守恒定律的验证。弧形轨道末端水平，离地高度H。铁球从轨道h处自然释放，落点距离轨道末端水平距离为s。这时候，学生可能这样解题：机械能守恒定律mgh=〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗mv2，以平抛规律为准，竖直方向H=〖SX（〗1〖〗2〖SX）〗gt2，水平则为s=vt，由此可得出s2和h之间为s2=4Hh。
　　总之，在开展高中物理课堂实验的时候，教师要秉承着严谨的态度，在实验过程中，任何有关于实验的内容都需要就讲解清楚，任何影响实验的环境都要考虑进去。只有这样，才能让学生养成一种有利于学习的态度。
　　参考文献
　　[1]赵坚.关于与机械能守恒相关的一些问题的探讨[J].物理教师，2019，40（05）：62-65.
　　[2]黄梅花.核心素养导向下的高效实验课探索——以“验证机械能守恒定律”的实验教学为例[J].中学理科园地，2019，15（02）：49-50.
　　作者简介：张斌（1989.1.9-），男，籍贯：云南石林，单位：贵州省威宁县第九中学，职称：中学二级，研究方向：高中物理。
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