机械能守恒演示器的设计与自制.doc

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图1金属横杆刀片摆球铁架台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，割断处尽量靠近小图2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=。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2cm）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图4开关电磁吸球器木板写纸。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立柱图5HhxFGI2.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=x。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