教育
重力势能是高中物理较为重要的物理概念之一,跟物理的质量和高度都有关系,要认识重力势能,不能脱离对重力做功的研究。新课标必修2单独列出一小节对重力的功进行了详细地推导,为更好地理解和掌握这部分内容,我们制作了重力做功演示模型(图1)。
一、模型制作
用木方做一个内长为长50cm、高为30cm的木框和底座。取直径约4cm的三个玩具塑料球,在球心钻上小孔。用三段8号铁丝分别穿过三个塑料球的球心,做成三种路径(竖直、倾斜直线、曲线),把铁丝的两端固定在木框的上、下木方上。最后在左、右两侧面的木方上标出球下落的起始高度h1、终点高度h2。这样演示模型就做好了(图1)。
二、演示方法
1.让球沿直线竖直向下运动,从高度是h1的位置运动到高度是h2的位置。在这个过程中重力做的功是:WG=mgh=mgh1-mgh2。
2.让球沿倾斜直线向下运动,若倾斜直线长是l,直线与铅垂线夹角为θ,从高度是h1的位置运动到高度是h2的位置。在这一过程中球做的功为:WG=mgcosθ*l=mgh=mgh1-mgh2。
3.让球沿任意路径向下运动,从高度是h1的位置运动到高度是h2的位置。如果把整个路径分成许多很短的间隔AA1,A1A2,A2A3,…
由于每一段都很小,都可以近似看做一段倾斜的直线。设每段小斜线的高度差分别是Δh1,Δh2,Δh3,…则球通过每段小斜线时重力做的功分别为mgΔh1,mgΔh2,mgΔh3,…
小球通过整个路径时重力所做的功,等于重力在每段上所做的功的代数和,即
WG=mgΔh1+mgΔh2+mgΔh3+…
=mg (Δh1+Δh2+Δh3+…)
=mgh
=mgh1-mgh2
通过上述三种情形分析表明:物体运动时,重力对它做的功只跟它的起点和终点的位置有关,而跟物体运动的路径无关,功的大小等于物重跟起点高度的乘积mgh1与物重跟终点高度的乘积mgh2两者之差。
三、说明
本实验前提条件是设球的质量为m,把球看成一个质点,只有质量没有大小。