用单摆验证机械能守恒定律内容提要:源于课本而高于课本,注重求新求变求异,重视创新性的改造与综合性拓展,是近年 来高考实验命题的一大趋势。为了适应高考对实验考查的新趋势(新装置验证旧结论),我特意设计 了一个用单摆验证机械能守恒定律的创新实验,并对此作了较详细地改进和综合性的拓展。 关键字:拓展创新;摆球平抛;实验改进;对心碰撞。 教科书中采用了“小球自由落体法”的实验验证机械能守恒定律,虽然此实验简单,学生容易 接受,但实验装置在实验中有些不妥处,这是因为:计时器本身的重力以及纸带对计时器的摩擦 力均会产生一个使计时器转动的力矩,难以保证重物下落时计时器本身的稳固性,由于计时器的 安装偏高,手提纸带上端时操作困难,一般来说,实验桌高约80cm,铁架台杆约60cm,即便安装在 杆高处2/3 处,再加纸带的标准长度为82cm,手提纸袋上端时的高度约为80cm+40cm+82cm=202cm, 显然此高度会使实验操作困难。 在近几年的高考中,对实验的考察,着重实验的创新和设计,单摆虽然在高考中没有要求,但 机械能守恒定律的实验是高考的热点。在部分地方已经出现了用单摆验证机械能守恒定律的考题! 结合近几年的高考考点和“落体”实验的不足,我设计了一个用单摆验证机械能守恒定律的实验, 针对不同学校的资源条件和高考综合性的要求,对实验已作了进一步的改进和综合性的拓展。 创新实验实验器材: 铁架台、铁球、电热丝、电源、白纸、复写纸、长约0.5m 的细线、重锤线、刻度尺、量角器。 实验装置: 实验原理:让单摆由静止从A 点开始下摆,当小球摆至最低处B 点时,细线被电热丝烧断,摆球做平抛运 动,测得摆球平抛运动的水平位移CM=x 与竖直位移BM=h2,可得摆球平抛的初速度 以摆球摆动到B点的动能 mgxmv ,测量出摆球的初位置到其投影点的高度h1,则摆球摆动过程下降的高度h=h1-h2,由此求出摆球摆动过程中的重力势能的变化量 ,最后比较动能变化量EK=EK 与重力势能的变化量Ep 在误差允许的范围内是否相等,从而验证摆球下摆 过程机械能守恒。 实验步骤: 1.将铁架台放置在水平桌面的边缘上,并在铁架台的竖直杆上适当位置固定一根水平短支架; 2.在铁架台的水平长支架上确定摆线的悬点O 点,并在该点竖直方向上固定一个夹子,在悬点 正下方的地面上放一张较大的白纸,用重锤线确定悬点O 点在白纸上的投影点M; 3.将摆线一端用夹子固定好,另一端与铁球相连,让铁球在竖直方向上处于静止状态,用米尺 量出此时铁球球心到投影点M 的高度h2,并记下所测数据; 4.调整水平短支架的固定位置及长度,让铁球与水平短支架的A 点刚好接触时,固定支架不动; 5.用重锤线确定水平短支架的端点A 点在白纸上的投影点N 点,用米尺量出AN 两点的高度h1(此 高度也为铁球球心的初位置到其投影点的高度),并记下所量的数据。 6.在白纸上放一张复写纸,将铁球再次偏离竖直方向,让铁球与水平短支架的A 点刚好接触, 同时在悬点O 点的正下方p 点(小于摆长的位置)水平放置一根炽热的电热丝,静止释放铁球; 7.保持短支架不动,使铁球由静止释放时的初位置不变,重复实验10 8.计算铁球由静止释放到铁球摆至最低处B点的高度差h=h1-h2; 9.将铁球落地点用最小的圆圈起来,读出圆心处的位置C 点,并用米尺量出MC 两点间的距离x; 如图2 所示: 记录纸米尺 (单位:cm) 60 70 的步骤。