机械能守恒演示器的设计与自制

机械能守恒演示器的设计与自制刘万强王中院松滋市第一中学，湖北荆州434200机械能守恒定律是中学物理教学中的一个重点、热点和难点。现有的各种版本的高中物理教材，几乎都是使用打点计时器研究自由落体运动来验证机械能守恒，从熟练使用打点计时器和掌握纸带的处理方法来看是有必要的，就机械能守恒的模型来说，选择自由落体运动过于简单，学生们都很清楚：阻力很小时的自由落体运动，其加速度约9.80m/s2，机械能自然是守恒的，验证没有必要。能否设计一个模型简单、制作简便、操作容易、测量准确的仪器呢？经过多次研究，对该实验进行了设计改进，在实际教学中取得了很好的效果。一、实验设计（一）1.装置介绍与原理说明如图1所示，用长约50cm的细线栓住钢球做成摆，摆线的另一端固定在铁架台的横杆上，在悬点的正下方放一剃胡须刀片，刀片平面取水平方向，刀刃与摆线的运动方向斜交而不垂直，如图2中的俯视图，这样可以迅速把线剪断。仔细调整刀刃的位置，使之恰好能在球摆到最低点时把线剪断，割断处尽量靠近小球。在水平地面上放一张白纸，上面再放一张复写纸。2.实验操作与数据分析如图2，实验时，将摆球偏离平衡位置B，测出小球在A处相对B点的高度h1。释放摆球，当摆球经过平衡位置时，摆线被割断，小球立即做平抛运动，落地后在白纸和复写纸上打下落点的痕迹，测出水平射程s和抛出点离地面的高度h2。根据平抛运动的规律可知，小球在B点时的速度vB=s/t=22hgs。摆球在A点相对B点的重力势能EPA=mgh1，在B点的动能EKB=mv2/2=mgs2/4h2。比较EPA和EKB，从而得出在误差允许的范围内机械能守恒的结论。将小球从A/处再次释放，重做上面实验。3.存在的问题该实验每做一次，悬线被切断，第二次做必须重新安装小球，重新调整，相当麻烦。如果一次实验中因某一原因引起的较大误差，就不能得到正常的结论，不利于多次重复实验取平均来减小误差。这种随时组装的简易仪器，需要实验时四处找所需的小组件（刀片、夹子等），也不便于搬运和保管。能否制成成品仪器多次实验多班使用？我们做了如下设计改进。二、实验设计（二）1.装置介绍与原理说明如图3，制作一高度约为80cm，由底座、顶板和两立柱构成的木质支架，两立柱（宽图1金属横杆刀片摆球铁架台图22cm）相距12cm。一厚度为2cm、宽为5cm、长为16cm的木板，用四根等长（长约40cm）的细线悬挂在顶板上。在木板上面左边缘的正中央放一钢球（如图4），钢球正下方挖一圆孔，刚好放置一电磁吸球器，使电磁吸球器的上表面恰好与木板上表面相平，木板下面安装固定一电池盒（对电磁吸球器供电），在木板的左侧面两端各距离两边1cm处安装一按压式开关（只与其中一个开关构成电路，另一个空着不接）。在落球平板上铺放白纸和复写纸。2.实验操作与数据分析如图5,接通电源,把直径为2cm的钢球放在电磁吸球器上。将木板拉至一定高度后，调整横杆上的细线，让钩子钩住木板在F处静止。然后把木板从F处由静止释放，钢球随木板一起做圆周运动。当木板运动到最低位置G时，与两立柱相碰，同时开关被按压，电源断开，钢球由于惯性立即做平抛运动，落在白纸和复写纸上打下落点的痕迹。测出图5中的H、h、x，根据平抛运动的规律可知，钢球在G点时的速度vG=x/t=xHg2。设由木板、钢球、电磁吸球器和电池盒等组成的摆的总质量为M，它们在F点相对G点的重力势能EPF=Mgh，在G点的动能EKG=Mv2/2=Mgx2/4H。比较EPF和EKG，从而得出在误差允许的范围内机械能守恒的结论。实验中为了减小实验误差，可以把木板拉到同一位置下落8至10次，用尽可能小圆把所有的落点圈在里面，圆心就是小球的平均落点。为了确保小球每次从同一高度的某位置释放，每次释放前将木板用悬挂在横杆上的钩子钩住，矫正出发点的位置，同时也便于高度h的测量。3.实验装置的优点制作简便，选材容易，使用灵活，操作简捷，测量简单，现象明显，误差较小，教学效果好。通讯地址：湖北省松滋市第一中学邮政编码：434200联系电话:[phone]Email:[e-mail]图3顶板落球平板立柱细线木板钢球白纸复写纸钩子小圆环横杆图4开关电磁吸球器木板立柱图5HhxFGI