巧用阿特伍德機及DIS系統(tǒng)驗證機械能守恒定理摘要：“驗證機械能守恒定理”是小學數學教學中的重要實驗，但實驗要求較高，很難在實際教學中舉辦。本文介紹了巧用阿特伍德機和DIS系統(tǒng)驗證機械能守恒定理如何驗證轉動定律，并以此進行了實驗檢測，其實驗結果驗證了機械能守恒定理關鍵詞：DIS系統(tǒng)；機械能守恒定理；阿特伍德機中圖分類號：G633.7文獻標示碼：A文章編號：1003-6148（2017）2-0054-31問題的提出機械能守恒定理（lawofof）是指：在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內，動能和勢能可以相互轉化，而總的機械能保持不變。“驗證機械能守恒定理”是人民教育出版社課程教材研究所編撰的普通中學課程標準實驗教科書《物理選修2》[1]第七章第九節(jié)的內容。教材中介紹的實驗采用如圖1所示的裝置。實驗方式是：用天平檢測出重物的質量，因為重物下落的高度等于電火花計時器打出的紙帶上某兩點之間的距離，便可估算出重物下落過程中重力勢能的降低量；再利用紙帶上的點估算出重物在各點的瞬時速率，因而得出重物在各點的動能；比較重物在某兩點間動能的降低量和重力勢能的降低量是否相等，若在實驗偏差容許的范圍內近似相等便驗證了機械能守恒定理教材中介紹的實驗條件要求較高且有以下注意事項：（1）為了減少磨擦阻力的影響，在安裝電火花計時器時必須使紙帶和限位孔在同一豎直線上；（2）為了減少空氣阻力的影響，應選用質量和密度較大的重物；（3）為了減少檢測下落高度的相對偏差，選定的計數點應離起始點遠一些，但也不宜過長；（4）為了使計時時間愈發(fā)確切，應當在穩(wěn)定的市電環(huán)境下進行實驗實驗中，提紙帶的手不能晃動，接通電源，待電火花計時器工作穩(wěn)定后再握住紙帶讓重物下落面對這種較高的實驗要求，許多優(yōu)秀中學數學班主任努力對“驗證機械能守恒定理”的實驗進行了改進，比如：安學立基于“波”概念改進了傳統(tǒng)的機械能守恒定理實驗[2]；唐素珍自制演示裝置，規(guī)避了無法檢測的速率[3]；楊明輝提出了借助轉動電機驗證機械能守恒定理[4]；張生斌提出了巧用平拋運動驗證機械能守恒定理[5]；謝杰妹、陳顯盈自制“記憶型”彈簧秤，對驗證機械能守恒定理實驗進行了創(chuàng)新設計[6]。
這種研究成果的取得充分彰顯了廣大化學班主任兢兢業(yè)業(yè)的工作心態(tài)。但這種改進仍然存在一些問題，有的改進操作存在困難，有待進一步解決筆者在充分借鑒已有研究成果的基礎上，巧用阿特伍德機和DIS系統(tǒng)驗證機械能守恒定理，并以此進行了實驗檢測，其結果驗證了機械能守恒定理2實驗設計2.1實驗目的驗證機械能守恒定理2.2??驗原理美國劍橋學院物理家、物理學家喬治，1746―1807）為了驗證牛頓第二定理，在1784年發(fā)表了一篇題為《關于物體的直線運動和轉動》的學術論文，提出了一種用于檢測加速度及驗證牛頓熱學定理的機械裝置。后人將此機械裝置稱為“阿特伍德機”，并經常拿來研究勻變速直線運動的規(guī)律如圖2所示，將兩個質量分別為m1、m2的物體系于一根寬度適中越過定滑輪輕質軟繩的兩端，就組成了阿特伍德機若兩物體的質量滿足m1由表1中的數據可以看出，本實驗設計在偏差容許的范圍內驗證了機械能守恒定理4剖析與總結本實驗設計在偏差容許的范圍內驗證了機械能守恒定理。實驗中每次檢測出的系統(tǒng)動能降低量ΔEk要略大于系統(tǒng)重力勢能降低量ΔEp，這是由于在實驗中存在空氣阻力、摩擦力的影響。
另外，在?蟣淥僦畢咴碩?中由光電門傳感測得的物體在某點的瞬時速率值是大于它在此點的實際速率值的[7]。將鉤碼的幾何中心通過光電門傳感的瞬時速率等同于鉤碼通過光電門傳感的平均速率也給實驗帶來了一些偏差，并且由此帶來的實驗偏差是不能通過降低檢測次數來減少的雖然已有文獻提出了確切檢測瞬時速率的方式[8]，但這些方式只適用于工程檢測，不適用于數學教學實驗。在實驗中，應選用密度較大、體積較小的鉤碼和寬度適中的繩子，避免鉤碼在運動中發(fā)生搖擺。若鉤碼發(fā)生搖擺則難以保證兩鉤碼的速率大小相等，給系統(tǒng)動能的估算帶來偏差本文介紹的巧用阿特伍德機和DIS系統(tǒng)驗證機械能守恒定理的實驗設計在實際教學中具有一定的借鑒價值，除了可以拿來驗證機械能守恒定理，還可以拿來檢測重力加速度。筆者期望本實驗設計才能在改進驗證機械能守恒定理實驗的公路上起到拋磚引玉的作用參考文獻：[1]張大昌，等.普通中學課程標準實驗教科書化學選修2（第2版）[M].上海：人民教育出版社，2006：73-74.[2]安學立.基于“波”概念的機械能守恒定理驗證實驗的改進[J].化學班主任，2015，36（1）：53-54.[3]唐素珍.機械能守恒演示裝置的改進――自制教具展示作品文章之三[J].化學通報，2015（6）：97-98.[4]楊明輝.“驗證機械能守恒定理”實驗探究[J].化學教學闡述如何驗證轉動定律，2009，27（9）：27-29.[5]張生斌.巧用平拋運動“驗證機械能守恒定理”[J].化學班主任，2006，27（12）：32-33.[6]謝杰妹，陳顯盈.自制“記憶型”彈簧秤設計“機械能守恒”創(chuàng)新實驗[J].化學班主任，2015，36（11）：25-27.[7]B，WongS，Alpha.dueto[J].Am.J.Phys.，1989（57）：528-534.[8]P，N.fortheofaonanairtrack[J].Am.J.Phys.，1982（50）：84-86.（欄目編輯王柏廬）1