验证机械能守恒实验的思考

   徐颖超

在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能与势能可以相互转化，而总的机械能保持不变,这叫做机械能守恒定律。那么我们如何才能验证机械能守恒定律呢？在不涉及弹性势能时，机械能守恒只是重力势能与动能的相互转化，系统增加（或减小）的重力势能等于减少（或增加）的动能。要用实验验证这一关系，需测出运动过程中物体系统内各物体的高度变化，从而计算系统重力势能的变化量，这可以用刻度尺测量。需要测出系统中各物体的初、末速度，从而计算系统动能的变化量，这可以用打点计时器测量。

一、利用打点计时器进行验证的步骤：

1、按右图所示，把打点计时器安装在铁架台上，用导线把打点记时器与交流电源连好。

2、用手握着纸带上端并让纸带保持竖直，让重物静止地靠近打点计时器。

3、接通电源，松开纸带，让重物自由落下，纸带上打下一系列小点，断开电源。（提示:先开电源，再放纸带）

4、更换纸带，重复实验

5、在打好点的纸带中挑选点迹清晰的纸带，在起始点标上0，随后选取计数点1、2、3……用刻度尺测出对应高度h₁、h₂、h₃……（提示：选取的各个计数点要离起始点适当远些好）

6、应用公式计算各点对应的速度v₁、v₂、v₃……(关于中间时刻速度的计算)

7、计算各点相对于起点O的势能减少量mgh_n和动能的增加量  进行比较。

8、处理数据得出结论

二、实验误差的一些思考

  实验中容易出现的误差，主要集中在于无法保证纸带完全静止释放、无法保证打点计时器打开后释放纸带前打的点都集中于一点、无法目测确定初始点。那么是否有其他办法减小这方面带来的误差呢？经过实验及探讨，主要集中于这两个方法：

1、 由于重物做自由落体运动，那么第一点与第二点之间的距离应该是h==1.96mm。这时候我们尽量选择两点间点迹约为1.96mm的以确定初始点。这种纸带的取法是以去验证实验。运用这种验证方法的弊端也很明显，重物虽然是自由落体运动，但是下落过程中一定受到空气阻力作用，以至于加速度达不到g。从读数角度考虑，1.96mm数值较小，以普通刻度尺去测量很难把握。

2、 不考虑起始点在哪，而是选择纸带上较清楚的点迹，选择其中的两点来计算。这种方法可以绕过起始点，以去验证实验。这种方法在有关验证机械能守恒实验的题目中较常见，但是通过分析，我们发现也是存在较大误差。首先这种方法相对于第一种，由于不去确定初始点，无法解决手提纸带的不稳定性，如果初始两点间距较大，则误差较大。其次，在验证中我们要计算两个速度值，在读数阶段就会出现两次读数误差，影响实验。

通过分析，我们发现，验证机械能守恒这个实验主要误差来至于起始点的选取，如果能够保证纸带静止竖直下落，那么实验总体来说应该是成功的。那么有什么方法可以办到呢？我们可以使用夹子夹住纸带的上端，待开始打点后再松开夹子释放纸带，这样打点计时器打的第一个点迹就清晰可见，这时候不管是否回避初始点都能较大程度上减小实验出错。

物理实验作为物理教学的基本手段，有其特殊的教学功能：不仅能够为学生提供学习的感性材料，验证物理定律，而且能够提供科学的思维方法，加深对基本知识的认识程度，激发学生的求知欲，培养学生的探索能力。所以在进行实验教学时，我们除了要教会学生实验过程和误差分析，还要引导学生探讨误差来源，分析误差成因，探究改进方式，这样才能培养学生探究的能力。