專欄介紹
《教學與考試》雜志為公開發行的省級教育期刊，2018年1月與中國知網達成合作，辦刊宗旨是服務高考改革、服務高中教學、研究高考出題規律。
本欄目呈現《教學與考試》雜志內容精髓，精選各類科目的解題策略，供讀者參考和供教師參考。
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關于作者
胡道成：高級教師，貴州省乾陵名師，貴州省農村教育工作者培養對象，貴州省骨干教師，威寧縣縣級專家，在《教學考試》雜志等30余種雜志、期刊發表教學、研究文章160余篇。
本文發表于《教學與考試》2022高考物理3
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機械能守恒定律實驗分析與驗證的創新方法與解決策略
“實驗探究能力”是高考物理重點考察的能力之一，而驗證機械能守恒定律的實驗承載著檢驗物理概念的功能，逐漸成為高頻考點。該類試題設計具有以下特點：依托教材中的基礎實驗、基本設備，將實驗原理、思路方法、設備（裝置）選擇、實驗步驟、數據處理、注意事項、誤差分析等方面進行改造、嫁接、遷移、綜合、拓展，突出培養學生的理解能力、分析能力、知識遷移能力、實驗設計能力、運用數學知識解決物理問題的能力和創新應用能力，將學生熟悉的實驗情境與新的探究情境有機結合，對教材實驗進行拓展、延伸和探索，體現新課程實驗教學提倡的設計性、探究性和開放性命題要求。下面就來談談驗證機械能守恒定律實驗的創新途徑和解題策略，以期為高考復習助力。
基于機械能守恒定律的條件，可作如下考慮：第一，從合力做功的角度看，系統中只有重力和彈力做功，系統的機械能守恒；第二，從能量守恒定律的角度看，系統中只有動能與勢能相互轉化，沒有機械能與其他形式能量的轉化，系統的機械能守恒。在滿足安全性、可行性、準確性、操作簡便性的前提下，只要滿足機械能守恒的條件，就可以設計創新實驗，以考察學生的探究能力和創新能力。
1.驗證氣墊導軌上彈簧彈性勢能轉化為動能過程中機械能守恒
創新性實驗題是將高中物理教材中未出現的知識內容與考生所學的理論知識、基本實驗設備相結合而形成的，這樣既能體現考生“獲取信息、組織信息”能力的考試要求，又符合高考對實驗研究能力的考核要求——“運用所學的物理理論、實驗方法和實驗儀器解決問題的能力，包括簡單的設計性實驗”。
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【點評】由彈簧彈性勢能表達式可知，需要借助實驗設備測出公式中涉及的物理量，然后結合所學知識，利用“能量概念”突破實驗原理，挖掘出“滑塊離開彈簧時的速度就是通過光電門的速度”這一隱含條件，從而完成問題的解答。復習過程中，要善于尋找不同知識點之間的“嫁接”關系，在“知識連接點”處提出問題是常見的創新方式，學生要靈活地將所學知識遷移到新情境中去解決新問題。
2. 驗證連接系統的機械能守恒
以連接器作為實驗的研究對象，以系統機械能守恒取代單個物體的機械能守恒，是實驗原理的創新。
【例2】某學生利用圖3所示實驗裝置驗證機械能守恒定律，現有設備包括氣墊導軌、滑塊（上面安裝有已知寬度d的遮光片）、兩個與計算機相連的光電門、砝碼盤及砝碼。
請完成以下問題：
（1）除上述設備外，為了完成實驗，您還需要以下設備：
平衡
B. 秒表
C. 標尺
D、游標卡尺
（2）啟動氣泵，將滑塊單獨放在氣墊軌道上，調節氣墊軌道下方的螺釘，輕輕推動滑塊。當滑塊上的遮光片通過兩個光電門的遮光時間時，即可認為氣墊軌道處于水平狀態。當用重量片通過細鋼絲跨過輕量定滑輪拉動滑塊時，細鋼絲拉力的方向必須與重量片的拉力方向一致。
（3）設重物和重物板的質量為m，滑塊（含遮光板）的質量為M，本實驗中， （填“需要”或“不需要”）滿足m?M。
（4）若滑塊在重錘板的拉動下從左側開始移動，則用光電門測出遮光板經過A、B時的遮光時間。
和
，點 A 和 B 之間的距離為
，則驗證機械能守恒定律的表達式為。
【解析】（1）實驗中，需要用天平稱量砝碼盤和砝碼的質量m，滑塊（含遮光片）的質量M，用尺子測量A、B兩點之間的距離。由于已知遮光片的寬度，所以不需要用游標卡尺，也不需要用秒表，所以A、C為正確答案。
（2）當滑塊上的遮光板通過A、B兩個光電閘所需的時間相等時，可認為氣墊導軌處于水平狀態。
（3）本實驗中為測定氣墊導軌上滑塊的加速度，滑塊的重力勢能保持不變，重物盤和重物拉動滑塊時，細絲拉力的方向必定是水平的。
(4) 實驗中，以滑塊、配重板及配重整體作為研究對象貝語網校，不必滿足m?M。
【點評】用光電門代替點式計時器測速是很常見的，同學們應該熟悉這種測速方法。本題易犯的錯誤是滑塊的勢能不變，但動能增量要考慮滑塊、砝碼和砝碼盤；以驗證牛頓第二定律的實驗中的要求作為本題的干擾條件。只有深刻理解每個實驗的基本原理，明確每個裝置能完成的不同實驗，熟悉每個實驗的實驗要求，才能避免“把錯的帽子戴在錯的頭上”的錯誤。
3. 運用“擺錘法”驗證物體做圓周運動時機械能的守恒
用“單擺法”驗證做圓周運動物體機械能守恒，體現了實驗原理的創新，實驗設備的改進也體現了一定的創新。
【例3】某學生設計了一個實驗裝置為測定氣墊導軌上滑塊的加速度，用來驗證如圖4A所示的系統的機械能守恒。他用一條不易拉伸的細線穿過一個有孔的小鋼球并打結。他將小球懸掛在鐵架上的O點，在O點正下方安裝一個光電門A，并在鐵架上固定一把尺子，測量懸掛點到光電門中心的距離l。他進行了以下步驟：
（1）將鐵架放在水平桌上，用小鋼球作“砝碼線”檢查鐵架支撐，調整至垂直狀態；調整光電閘門的位置，使細鐵絲垂直懸掛時，光電閘門中心與小鋼球中心重合，從刻度尺上讀出懸掛點到光電閘門中心的距離l，如圖4B所示，則l=cm。
（2）把小鋼球拉到水平位置（用直角三角尺檢查細線是否水平），靜止松開，記錄小鋼球通過光電門的時間
，用千分尺測量小鋼球的直徑d如圖4C所示，則d=mm。
（3）若當地重力加速度
為了驗證機械能守恒定律，只需驗證g=（用d、t、l表示），如果在允許的誤差范圍內，認為g的計算值與給定值相等，則驗證了機械能守恒定律。
（4）根據以上數據計算出的 g =
（計算結果四舍五入到3位有效數字）同學分析了造成上述測量結果的原因，可能是用尺子測量l時，測量結果為（選擇“太大”或者“太小”）。
【點評】要回答創新實驗原理的問題，首先要分析研究對象所經歷的運動過程，然后根據運動過程所遵循的物理規律，列出相關方程，推導出需要驗證的表達式。表達式可以轉化為兩個變量之間的函數關系，這樣就可以引入鏡像法來處理數據。在這個實驗中，如果我們通過改變細絲的長度和光電門的位置進行多次測量，就可以使
關系圖，其斜率k=
、重力加速度
，可以實現數據處理方法的創新。
4. 利用水平投影運動驗證擺錘擺動過程中機械能的守恒
通過小球在垂直平面內的擺動過程驗證了機械能守恒定律，需要驗證的是小球在擺動過程中減少的重力勢能與增加的動能是否近似相等。小球終端速度的測量方法巧妙地轉化為水平運動的水平和垂直位移的測量，體現了“轉化思想”的具體應用。
[例4] 某學生利用圖5所示的裝置，探究小球在向下擺動過程中，其機械能是否守恒。他將一條不易拉伸的細線的一端固定在天花板上的O點，另一端吊上一顆小鋼球。在O點正下方有一根溫度很高的電熱絲。已知當地的重力加速度為g。
實驗步驟如下：
①實驗開始前，測量球的直徑D，然后讓球自然懸掛，測量懸掛線的長度為L，球下端距水平地面的高度為h；
②將小球從平衡位置向左拉，測得細絲與垂直方向的夾角為θ。將小球從靜止狀態松開，使小球在垂直平面內做圓周運動。小球運動到最低點的瞬間，細絲被電熱絲燒毀（忽略細絲燃燒過程中小球的能量損失）；
③ 細鐵絲燒斷后，讓球做水平運動，測得球落地時的水平位移為s。
完成以下問題：
（1）本次實驗用到的設備有：細鐵絲、小球、加熱絲、量角器，所需其他設備為（填寫選項前的字母）。
平衡
B. 標尺
C、游標卡尺
（2）水平拋球時的速度表示為
=（用被測量物理量和已知量的符號表示）。
（3）驗證機械能守恒定律的表達式為（用被測物理量和已知量的符號表示）。
【點評】對于“移植花木”這類組合題，解題的出發點是探究題中物理現象所蘊含的物理規律，尋找知識的交集并進行突破。這就要求學生對基礎知識有層次化的理解，形成學科知識網絡。只有這樣，學生才能將所學的知識遷移到新情境中，解決新問題。
五、結論
凡是滿足機械能守恒定律的運動情境都可以成為本實驗的命題材料，無論情境如何變化，所考查的能量概念和守恒定律思想是不變的。圍繞機械能守恒定律進行規劃是解題的基本策略。只有充分發揮“類比思維”進行“模型辨識”，結合所學的理論知識尋找“創新實驗”與課本實驗的相同點和不同點，才能順利地將所學的知識遷移到新的情境中，解決問題。
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