巧用阿特伍德机和DIS系统验证机械能守恒定律

1、巧用阿特伍德机和 DIS 系统验证机械能守恒定律1 问题的提出机械能守恒定律（ law of conservation of mechanical energy ）是指：在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能和势 能可以互相转化， 而总的机械能保持不变。 “验证机械能守恒定 律”是人民教育出版社课程教材研究所编写的普通高中课程标 准实验教科书物理必修 21 第七章第九节的内容。教材中 介绍的实验采用如图 1 所示的装置。 实验方法是： 用天平测量出 重物的质量， 由于重物下落的高度等于电火花计时器打出的纸带 上某两点之间的距离， 便可计算出重物下落过程中重力势能的减 少量；再利用纸带上的点计算

2、出重物在各点的瞬时速度， 从而得 出重物在各点的动能； 比较重物在某两点间动能的增加量和重力 势能的减少量是否相等， 若在实验误差允许的范围内近似相等便 验证了机械能守恒定律。教材中介绍的实验条件要求较高且有以下注意事项：（1）为了减小摩擦阻力的影响，在安装电火花计时器时必 须使纸带和限位孔在同一竖直线上；（2）为了减小空气阻力的影响，应选用质量和密度较大的 重物；（3）为了减小测量下落高度的相对误差，选取的计数点应离起始点远一些，但也不宜过长；(4) 为了使计时时间更加准确，应该在稳定的市电环境下 进行实验。实验中，提纸带的手不能抖动，接通电源，待电火花计时器 工作稳定后再松开纸带让重物下落

3、。面对这些较高的实验要求，许多优秀高中物理教师努力对 “验证机械能守恒定律”的实验进行了改进， 例如：安学立基于 “波”概念改进了传统的机械能守恒定律实验 2 ；唐素珍自制 演示装置，规避了难以测量的速度 3 ；杨明辉提出了利用转动 马达验证机械能守恒定律 4 ；张生斌提出了巧用平抛运动验证 机械能守恒定律 5 ；谢杰妹、陈显盈自制“记忆型”弹簧秤， 对验证机械能守恒定律实验进行了创新设计 6 。这些研究成果 的取得充分体现了广大物理教师兢兢业业的工作态度。 但这些改 进依然存在一些问题， 有的改进操作存在困难， 有待进一步解决。笔者在充分借鉴已有研究成果的基础上， 巧用阿特伍德机和 DIS

4、系统验证机械能守恒定律，并借此进行了实验测量，其结果 验证了机械能守恒定律。2 实验设计2.1 实验目的 验证机械能守恒定律。2.2 验原理英国剑桥大学数学家、物理学家乔治?阿特伍德( GeorgeAtwood, 17461807)为了验证牛顿第二定律，在1784年发表 了一篇题为关于物体的直线运动和转动的学术论文，提出了 一种用于测量加速度及验证牛顿力学定律的机械装置。 后人将此 机械装置称为“阿特伍德机”， 并常常用来研究匀变速直线运动 的规律。如图2所示，将两个质量分别为 ml m2的物体系于一根长 度适中跨过定滑轮轻质软绳的两端，就组成了阿特伍德机。若两物体的质量满足 m1由表 1中的

5、数据可以看出，本实验设计在误差允许的范围内验证了机械能守恒定律。4 分析与总结 本实验设计在误差允许的范围内验证了机械能守恒定律。 实 验中每次测量出的系统动能增加量 Ek要略小于系统重力势能 减少量 Ep,这是因为在实验中存在空气阻力、摩擦力的影响。 另外，在?虮渌僦毕咴硕 ?中由光电门传感器测得的物体在某点的 瞬时速度值是小于它在此点的实际速度值的 7 。将钩码的几何 中心通过光电门传感器的瞬时速度等同于钩码通过光电门传感 器的平均速度也给实验带来了一些误差， 而且由此带来的实验误 差是不能通过增加测量次数来减小的。尽管已有文献提出了准确测量瞬时速度的方法 8 ，但这种 方法只适用于工程测量，不适用于物理教学实验。在实验中，应 选用密度较大、 体积较小的钩码和长度适中的绳子， 防止钩码在 运动中发生摇摆。 若钩码发生摇摆则无法保证两钩码的速度大小 相等，给系统动能的计算带来误差。本文介绍的巧用阿特伍德机和 DIS 系统验证机械能守恒定 律的实验设计在实际教