巧用阿特伍德機(jī)及DIS系統(tǒng)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定理摘要：“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定理”是小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)中的重要實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)要求較高，很難在實(shí)際教學(xué)中舉辦。本文介紹了巧用阿特伍德機(jī)和DIS系統(tǒng)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定理如何驗(yàn)證轉(zhuǎn)動(dòng)定律，并以此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定理關(guān)鍵詞：DIS系統(tǒng)；機(jī)械能守恒定理；阿特伍德機(jī)中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A文章編號(hào)：1003-6148（2017）2-0054-31問(wèn)題的提出機(jī)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(nèi)，動(dòng)能和勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機(jī)械能保持不變。“驗(yàn)證機(jī)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(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)《物理選修2》[1]第七章第九節(jié)的內(nèi)容。教材中介紹的實(shí)驗(yàn)采用如圖1所示的裝置。實(shí)驗(yàn)方式是：用天平檢測(cè)出重物的質(zhì)量，因?yàn)橹匚锵侣涞母叨鹊扔陔娀鸹ㄓ?jì)時(shí)器打出的紙帶上某兩點(diǎn)之間的距離，便可估算出重物下落過(guò)程中重力勢(shì)能的降低量；再利用紙帶上的點(diǎn)估算出重物在各點(diǎn)的瞬時(shí)速率，因而得出重物在各點(diǎn)的動(dòng)能；比較重物在某兩點(diǎn)間動(dòng)能的降低量和重力勢(shì)能的降低量是否相等，若在實(shí)驗(yàn)偏差容許的范圍內(nèi)近似相等便驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定理教材中介紹的實(shí)驗(yàn)條件要求較高且有以下注意事項(xiàng)：（1）為了減少磨擦阻力的影響，在安裝電火花計(jì)時(shí)器時(shí)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(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物；（3）為了減少檢測(cè)下落高度的相對(duì)偏差，選定的計(jì)數(shù)點(diǎn)應(yīng)離起始點(diǎn)遠(yuǎn)一些，但也不宜過(guò)長(zhǎng)；（4）為了使計(jì)時(shí)時(shí)間愈發(fā)確切，應(yīng)當(dāng)在穩(wěn)定的市電環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中，提紙帶的手不能晃動(dòng)，接通電源，待電火花計(jì)時(shí)器工作穩(wěn)定后再握住紙帶讓重物下落面對(duì)這種較高的實(shí)驗(yàn)要求，許多優(yōu)秀中學(xué)數(shù)學(xué)班主任努力對(duì)“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定理”的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，比如：安學(xué)立基于“波”概念改進(jìn)了傳統(tǒng)的機(jī)械能守恒定理實(shí)驗(yàn)[2]；唐素珍自制演示裝置，規(guī)避了無(wú)法檢測(cè)的速率[3]；楊明輝提出了借助轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定理[4]；張生斌提出了巧用平拋運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定理[5]；謝杰妹、陳顯盈自制“記憶型”彈簧秤，對(duì)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)[6]。
這種研究成果的取得充分彰顯了廣大化學(xué)班主任兢兢業(yè)業(yè)的工作心態(tài)。但這種改進(jìn)仍然存在一些問(wèn)題，有的改進(jìn)操作存在困難，有待進(jìn)一步解決筆者在充分借鑒已有研究成果的基礎(chǔ)上，巧用阿特伍德機(jī)和DIS系統(tǒng)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定理，并以此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，其結(jié)果驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定理2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康尿?yàn)證機(jī)械能守恒定理2.2??驗(yàn)原理美國(guó)劍橋?qū)W院物理家、物理學(xué)家喬治，1746―1807）為了驗(yàn)證牛頓第二定理，在1784年發(fā)表了一篇題為《關(guān)于物體的直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)》的學(xué)術(shù)論文，提出了一種用于檢測(cè)加速度及驗(yàn)證牛頓熱學(xué)定理的機(jī)械裝置。后人將此機(jī)械裝置稱為“阿特伍德機(jī)”，并經(jīng)常拿來(lái)研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律如圖2所示，將兩個(gè)質(zhì)量分別為m1、m2的物體系于一根寬度適中越過(guò)定滑輪輕質(zhì)軟繩的兩端，就組成了阿特伍德機(jī)若兩物體的質(zhì)量滿足m1由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在偏差容許的范圍內(nèi)驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定理4剖析與總結(jié)本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在偏差容許的范圍內(nèi)驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定理。實(shí)驗(yàn)中每次檢測(cè)出的系統(tǒng)動(dòng)能降低量ΔEk要略大于系統(tǒng)重力勢(shì)能降低量ΔEp，這是由于在實(shí)驗(yàn)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(mén)傳感測(cè)得的物體在某點(diǎn)的瞬時(shí)速率值是大于它在此點(diǎn)的實(shí)際速率值的[7]。將鉤碼的幾何中心通過(guò)光電門(mén)傳感的瞬時(shí)速率等同于鉤碼通過(guò)光電門(mén)傳感的平均速率也給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)了一些偏差，并且由此帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)偏差是不能通過(guò)降低檢測(cè)次數(shù)來(lái)減少的雖然已有文獻(xiàn)提出了確切檢測(cè)瞬時(shí)速率的方式[8]，但這些方式只適用于工程檢測(cè)，不適用于數(shù)學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)能的估算帶來(lái)偏差本文介紹的巧用阿特伍德機(jī)和DIS系統(tǒng)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在實(shí)際教學(xué)中具有一定的借鑒價(jià)值，除了可以拿來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定理，還可以拿來(lái)檢測(cè)重力加速度。筆者期望本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)才能在改進(jìn)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定理實(shí)驗(yàn)的公路上起到拋磚引玉的作用參考文獻(xiàn)：[1]張大昌，等.普通中學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)化學(xué)選修2（第2版）[M].上海：人民教育出版社，2006：73-74.[2]安學(xué)立.基于“波”概念的機(jī)械能守恒定理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].化學(xué)班主任，2015，36（1）：53-54.[3]唐素珍.機(jī)械能守恒演示裝置的改進(jìn)――自制教具展示作品文章之三[J].化學(xué)通報(bào)，2015（6）：97-98.[4]楊明輝.“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定理”實(shí)驗(yàn)探究[J].化學(xué)教學(xué)闡述如何驗(yàn)證轉(zhuǎn)動(dòng)定律，2009，27（9）：27-29.[5]張生斌.巧用平拋運(yùn)動(dòng)“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定理”[J].化學(xué)班主任，2006，27（12）：32-33.[6]謝杰妹，陳顯盈.自制“記憶型”彈簧秤設(shè)計(jì)“機(jī)械能守恒”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)[J].化學(xué)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