验证机械能守恒定律实验的改进方案

验证机械能守恒定律实验的改进方案

离石江阴高级中学/侯耀峰

【摘要】传统的机械能守恒定律实验虽然装置简单，但是会

存在较大的误差，影响实验的数据。本文中所论述的DIS实验

方法则可以保证数据的精准性，同时方便学生的实际操作。

【关键词】机械守恒定律 物理实验 改进方案

高中物理课程涉及到许多实验，其中机械能守恒定律的

实验是比较重要的一项实验。在现有的实验方式中，通过让

小球进行自由落体运动，采用打点计时器的方式在纸带上标

出小球下落的点，通过计算来研究机械能是否守恒。该种实

验方式虽然比较简单，但是存在很大的误差。本文利用DIS系

统来开展实验，通过小球的摇摆来验证该定律，既保证了数

据的准确，同时也提高了实验效率，确保实验的质量。

一、现采用的验证实验分析

1.实验方案。目前验证机械守恒定律的实验方法为：首

先用天平测量出待测物体的质量，用纸带上相邻两点之间的

距离来表示物体下落的高度，以此来研究该物体在下落过程

中，其势能产生的变化情况。在计算纸带上每个点的瞬时速

度时，可以采用匀速直线运动的计算方式，即求该点两侧两

个点的速度平均值。例如要求物体在N点时候的瞬时速度，

则可以运用这样的公式V

n =(H

n

+1-H

n

-1)/2∆T.在分析出物体在N

点势能以及动能出现的变化，进一步来验证机械守恒定律的存在。实验的优缺点分析

目前教材中所采用的实验方式有其优势之处，比如所用到的仪器都比较简单，便于同学们的操作；实验的方式、流程比较简易，学生很容易操作；通过这种实验方式，同学们也可以验证机械能守恒定律，得出相应的结论。

尽管目前的实验方案有许多优点，但是不可否认方案也有不足的地方，有待进一步地完善。首先目前很多学校在开展该实验时，采用烧瓶夹来固定打点计时器，有的学校也采用与计时器相配套的夹子，但是这些夹子存在长度过短，稳定性能不高的问题，打点计时器不能得到很好的稳固效果，影响了测量的数据同时随着实验次数的增多，计时器在振动效果下会缓慢地向下移动，甚至会落到实验台上；其次，物体和纸带在下落的过程中会受到很多阻力，既包括空气造成的阻力，同时也包括纸条和机器之间的摩擦力；再者，纸带上每个点之间都有拖动的痕迹，影响了后期的测量准确性；最后，有的同学防止纸带的方式不对，导致纸带一开始就处于错误的位置，有的同学没有选择合适的计数点，都影响了测量的结果。

二、实验改进策略分析

随着科学技术的不断进步，验证机械能守恒定律的实验方式也在不断的改进，可以采用DIS系统通过研究球的来回摆动，验证该定律的存在。

1.实验器材。本次实验所采用的器材比传统的实验装置要多，且融入了科技化的元素，所用到的器材包括尺、线、天平、摆球、DIS系统、计算机、光电门传感器以及铁架台。

2.实验原理。用细线将摆球悬挂在铁架台上，并且将其从一定的高度放开，使球来回的摆动。在球摆动的过程中，它的势能和动能会出现转换。此时在忽略空气阻力的前提下，这只求只受到重力的影响，由此来验证机械能的守恒。

在改进后的实验中，将球分别从0.7m、0.53m、0.42m、0.28m、的高度分别释放，让球自由摆动，将这四个点分别标为ABCD.在每个高度点都放置光电门传感器，传感器放置的位置要保证球可以正好穿过。当球在每个高度释放之后，让球自由来回摆动6次，分别测出这6次的时间，并且取平均值。在该实验当中所采用的光电门装置，其工作的原理主要是当球穿过装置的时候，光电门所发射出来的光束被切断，此时计时器开始计算时间，当球离开后，光束重新被接受，此时计时器定值计时，由此得出了球运行的时间。通过测量摆球的质量以及直径，来计算摆球的速度，即公式V=D/T,从而计算出摆球的机械能，利用公式E＝mgh0.5mv

2

3.实验流程。先利用计算机运行DIS系统，在试验台上放置铁架台并且调整铁架台的位置，用细线将摆球固定在铁架台上，以备后续的释放。利用第二只铁架台在图中所示的B 处将传感器固定，调整传感器的位置，并且固定传感器，使光电门中的透光孔恰巧落在图中所示的B点上，这样摆球可以顺利地穿过传感器。将传感器和数据采集器相连接。

当固定好装置做好实验准备工作之后，则开始测量。先将摆球从图中所示的A点处释放，当摆球自由摆动且穿过传感器之后，使摆球停止。该动作反复操作6次，记下每次摆球穿过传感器的时间，计算这六个数据的平均值。以此类推在BCD三个点处，重复操作上述步骤。通过计算了测量得出摆球在这4个点动能、势能以及机械能所发生的变化。笔者以质量为0.0539千克，直径为0.02372m的摆球为例，得出相关测量数据。通过实验数据可以看出，在ABCD四个点摆球的机械能发生的小幅度的变化，其变化的范围是0.84%，因此可以得出机械能守恒的结论。

三、结束语

与传统的实验方法相比，采用DIS系统来开展实验可以解决纸带在移动过程中与计时器所发生的摩擦，同时也避免了计时器固定不牢靠的问题。同时在改进后的实验中学，采用光电门传感器来测量小球经过的速度和时间，其误差比较小，能够较为精准地算出物体移动的速度、势能以及动能数值。采用计算机系统来处理实验当中得出的各种数据，也省去了传统实验中描点、计算、作图的流程，提高了实验的效率，同时也保证了数据的准确性。最后DIS系统可以适用于很多物理实验中，具有测量精度高的优势，学生可以运用该系统来验证许多的物理定律，通过自行设计方案、亲自操作的方式开展实验，既激发了学生对物理学习的兴趣，同时也将科技化元素引入到了物理课堂，提高了实验的质量与效率。参考文献：

[1]蔡春华.利用朗威longwill TM探究瞬时速度和平均速度的关系[J].物理实验,2010(5).

[2]张步元.用光电门测自由落体加速度实验的改进[J].物理实验,2010(30).

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