机械能守恒演示器的设计与自制

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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:13997598121Email:liuwq516@sina.com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

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