專欄介紹
《教學(xué)與考試》雜志為公開發(fā)行的省級(jí)教育期刊，2018年1月與中國(guó)知網(wǎng)達(dá)成合作，辦刊宗旨是服務(wù)高考改革、服務(wù)高中教學(xué)、研究高考出題規(guī)律。
本欄目呈現(xiàn)《教學(xué)與考試》雜志內(nèi)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(guān)于作者
胡道成：高級(jí)教師，貴州省乾陵名師，貴州省農(nóng)村教育工作者培養(yǎng)對(duì)象，貴州省骨干教師，威寧縣縣級(jí)專家，在《教學(xué)考試》雜志等30余種雜志、期刊發(fā)表教學(xué)、研究文章160余篇。
本文發(fā)表于《教學(xué)與考試》2022高考物理3
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機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)分析與驗(yàn)證的創(chuàng)新方法與解決策略
“實(shí)驗(yàn)探究能力”是高考物理重點(diǎn)考察的能力之一，而驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)承載著檢驗(yàn)物理概念的功能，逐漸成為高頻考點(diǎn)。該類試題設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：依托教材中的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、基本設(shè)備，將實(shí)驗(yàn)原理、思路方法、設(shè)備（裝置）選擇、實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)處理、注意事項(xiàng)、誤差分析等方面進(jìn)行改造、嫁接、遷移、綜合、拓展，突出培養(yǎng)學(xué)生的理解能力、分析能力、知識(shí)遷移能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問題的能力和創(chuàng)新應(yīng)用能力，將學(xué)生熟悉的實(shí)驗(yàn)情境與新的探究情境有機(jī)結(jié)合，對(duì)教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展、延伸和探索，體現(xiàn)新課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)提倡的設(shè)計(jì)性、探究性和開放性命題要求。下面就來(lái)談?wù)勻?yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新途徑和解題策略，以期為高考復(fù)習(xí)助力。
基于機(jī)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(tǒng)中只有重力和彈力做功，系統(tǒng)的機(jī)械能守恒；第二，從能量守恒定律的角度看，系統(tǒng)中只有動(dòng)能與勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，沒有機(jī)械能與其他形式能量的轉(zhuǎn)化，系統(tǒng)的機(jī)械能守恒。在滿足安全性、可行性、準(zhǔn)確性、操作簡(jiǎn)便性的前提下，只要滿足機(jī)械能守恒的條件，就可以設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，以考察學(xué)生的探究能力和創(chuàng)新能力。
1.驗(yàn)證氣墊導(dǎo)軌上彈簧彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能過程中機(jī)械能守恒
創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)題是將高中物理教材中未出現(xiàn)的知識(shí)內(nèi)容與考生所學(xué)的理論知識(shí)、基本實(shí)驗(yàn)設(shè)備相結(jié)合而形成的，這樣既能體現(xiàn)考生“獲取信息、組織信息”能力的考試要求，又符合高考對(duì)實(shí)驗(yàn)研究能力的考核要求——“運(yùn)用所學(xué)的物理理論、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)儀器解決問題的能力，包括簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)”。
????
【點(diǎn)評(píng)】由彈簧彈性勢(shì)能表達(dá)式可知，需要借助實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)出公式中涉及的物理量，然后結(jié)合所學(xué)知識(shí)，利用“能量概念”突破實(shí)驗(yàn)原理，挖掘出“滑塊離開彈簧時(shí)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(fù)習(xí)過程中，要善于尋找不同知識(shí)點(diǎn)之間的“嫁接”關(guān)系，在“知識(shí)連接點(diǎn)”處提出問題是常見的創(chuàng)新方式，學(xué)生要靈活地將所學(xué)知識(shí)遷移到新情境中去解決新問題。
2. 驗(yàn)證連接系統(tǒng)的機(jī)械能守恒
以連接器作為實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象，以系統(tǒng)機(jī)械能守恒取代單個(gè)物體的機(jī)械能守恒，是實(shí)驗(yàn)原理的創(chuàng)新。
【例2】某學(xué)生利用圖3所示實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，現(xiàn)有設(shè)備包括氣墊導(dǎo)軌、滑塊（上面安裝有已知寬度d的遮光片）、兩個(gè)與計(jì)算機(jī)相連的光電門、砝碼盤及砝碼。
請(qǐng)完成以下問題：
（1）除上述設(shè)備外，為了完成實(shí)驗(yàn)，您還需要以下設(shè)備：
平衡
B. 秒表
C. 標(biāo)尺
D、游標(biāo)卡尺
（2）啟動(dòng)氣泵，將滑塊單獨(dú)放在氣墊軌道上，調(diào)節(jié)氣墊軌道下方的螺釘，輕輕推動(dòng)滑塊。當(dāng)滑塊上的遮光片通過兩個(gè)光電門的遮光時(shí)間時(shí)，即可認(rèn)為氣墊軌道處于水平狀態(tài)。當(dāng)用重量片通過細(xì)鋼絲跨過輕量定滑輪拉動(dòng)滑塊時(shí)，細(xì)鋼絲拉力的方向必須與重量片的拉力方向一致。
（3）設(shè)重物和重物板的質(zhì)量為m，滑塊（含遮光板）的質(zhì)量為M，本實(shí)驗(yàn)中， （填“需要”或“不需要”）滿足m?M。
（4）若滑塊在重錘板的拉動(dòng)下從左側(cè)開始移動(dòng)，則用光電門測(cè)出遮光板經(jīng)過A、B時(shí)的遮光時(shí)間。
和
，點(diǎn) A 和 B 之間的距離為
，則驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的表達(dá)式為。
【解析】（1）實(shí)驗(yàn)中，需要用天平稱量砝碼盤和砝碼的質(zhì)量m，滑塊（含遮光片）的質(zhì)量M，用尺子測(cè)量A、B兩點(diǎn)之間的距離。由于已知遮光片的寬度，所以不需要用游標(biāo)卡尺，也不需要用秒表，所以A、C為正確答案。
（2）當(dāng)滑塊上的遮光板通過A、B兩個(gè)光電閘所需的時(shí)間相等時(shí)，可認(rèn)為氣墊導(dǎo)軌處于水平狀態(tài)。
（3）本實(shí)驗(yàn)中為測(cè)定氣墊導(dǎo)軌上滑塊的加速度，滑塊的重力勢(shì)能保持不變，重物盤和重物拉動(dòng)滑塊時(shí)，細(xì)絲拉力的方向必定是水平的。
(4) 實(shí)驗(yàn)中，以滑塊、配重板及配重整體作為研究對(duì)象貝語(yǔ)網(wǎng)校，不必滿足m?M。
【點(diǎn)評(píng)】用光電門代替點(diǎn)式計(jì)時(shí)器測(cè)速是很常見的，同學(xué)們應(yīng)該熟悉這種測(cè)速方法。本題易犯的錯(cuò)誤是滑塊的勢(shì)能不變，但動(dòng)能增量要考慮滑塊、砝碼和砝碼盤；以驗(yàn)證牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)中的要求作為本題的干擾條件。只有深刻理解每個(gè)實(shí)驗(yàn)的基本原理，明確每個(gè)裝置能完成的不同實(shí)驗(yàn)，熟悉每個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)要求，才能避免“把錯(cuò)的帽子戴在錯(cuò)的頭上”的錯(cuò)誤。
3. 運(yùn)用“擺錘法”驗(yàn)證物體做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)械能的守恒
用“單擺法”驗(yàn)證做圓周運(yùn)動(dòng)物體機(jī)械能守恒，體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)原理的創(chuàng)新，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn)也體現(xiàn)了一定的創(chuàng)新。
【例3】某學(xué)生設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置為測(cè)定氣墊導(dǎo)軌上滑塊的加速度，用來(lái)驗(yàn)證如圖4A所示的系統(tǒng)的機(jī)械能守恒。他用一條不易拉伸的細(xì)線穿過一個(gè)有孔的小鋼球并打結(jié)。他將小球懸掛在鐵架上的O點(diǎn)，在O點(diǎn)正下方安裝一個(gè)光電門A，并在鐵架上固定一把尺子，測(cè)量懸掛點(diǎn)到光電門中心的距離l。他進(jìn)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(diào)整至垂直狀態(tài)；調(diào)整光電閘門的位置，使細(xì)鐵絲垂直懸掛時(shí)，光電閘門中心與小鋼球中心重合，從刻度尺上讀出懸掛點(diǎn)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(xì)線是否水平），靜止松開，記錄小鋼球通過光電門的時(shí)間
，用千分尺測(cè)量小鋼球的直徑d如圖4C所示，則d=mm。
（3）若當(dāng)?shù)刂亓铀俣?span style="display:none">cKV物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
為了驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，只需驗(yàn)證g=（用d、t、l表示），如果在允許的誤差范圍內(nèi)，認(rèn)為g的計(jì)算值與給定值相等，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律。
（4）根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算出的 g =
（計(jì)算結(jié)果四舍五入到3位有效數(shù)字）同學(xué)分析了造成上述測(cè)量結(jié)果的原因，可能是用尺子測(cè)量l時(shí)，測(cè)量結(jié)果為（選擇“太大”或者“太小”）。
【點(diǎn)評(píng)】要回答創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)原理的問題，首先要分析研究對(duì)象所經(jīng)歷的運(yùn)動(dòng)過程，然后根據(jù)運(yùn)動(dòng)過程所遵循的物理規(guī)律，列出相關(guān)方程，推導(dǎo)出需要驗(yàn)證的表達(dá)式。表達(dá)式可以轉(zhuǎn)化為兩個(gè)變量之間的函數(shù)關(guān)系，這樣就可以引入鏡像法來(lái)處理數(shù)據(jù)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，如果我們通過改變細(xì)絲的長(zhǎng)度和光電門的位置進(jìn)行多次測(cè)量，就可以使
關(guān)系圖，其斜率k=
、重力加速度
，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理方法的創(chuàng)新。
4. 利用水平投影運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證擺錘擺動(dòng)過程中機(jī)械能的守恒
通過小球在垂直平面內(nèi)的擺動(dòng)過程驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律，需要驗(yàn)證的是小球在擺動(dòng)過程中減少的重力勢(shì)能與增加的動(dòng)能是否近似相等。小球終端速度的測(cè)量方法巧妙地轉(zhuǎn)化為水平運(yùn)動(dòng)的水平和垂直位移的測(cè)量，體現(xiàn)了“轉(zhuǎn)化思想”的具體應(yīng)用。
[例4] 某學(xué)生利用圖5所示的裝置，探究小球在向下擺動(dòng)過程中，其機(jī)械能是否守恒。他將一條不易拉伸的細(xì)線的一端固定在天花板上的O點(diǎn)，另一端吊上一顆小鋼球。在O點(diǎn)正下方有一根溫度很高的電熱絲。已知當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間。
實(shí)驗(yàn)步驟如下：
①實(shí)驗(yàn)開始前，測(cè)量球的直徑D，然后讓球自然懸掛，測(cè)量懸掛線的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，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(cè)得細(xì)絲與垂直方向的夾角為θ。將小球從靜止?fàn)顟B(tài)松開，使小球在垂直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)。小球運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)的瞬間，細(xì)絲被電熱絲燒毀（忽略細(xì)絲燃燒過程中小球的能量損失）；
③ 細(xì)鐵絲燒斷后，讓球做水平運(yùn)動(dòng)，測(cè)得球落地時(shí)的水平位移為s。
完成以下問題：
（1）本次實(shí)驗(yàn)用到的設(shè)備有：細(xì)鐵絲、小球、加熱絲、量角器，所需其他設(shè)備為（填寫選項(xiàng)前的字母）。
平衡
B. 標(biāo)尺
C、游標(biāo)卡尺
（2）水平拋球時(shí)的速度表示為
=（用被測(cè)量物理量和已知量的符號(hào)表示）。
（3）驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的表達(dá)式為（用被測(cè)物理量和已知量的符號(hào)表示）。
【點(diǎn)評(píng)】對(duì)于“移植花木”這類組合題，解題的出發(fā)點(diǎn)是探究題中物理現(xiàn)象所蘊(yùn)含的物理規(guī)律，尋找知識(shí)的交集并進(jìn)行突破。這就要求學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)有層次化的理解，形成學(xué)科知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。只有這樣，學(xué)生才能將所學(xué)的知識(shí)遷移到新情境中，解決新問題。
五、結(jié)論
凡是滿足機(jī)械能守恒定律的運(yùn)動(dòng)情境都可以成為本實(shí)驗(yàn)的命題材料，無(wú)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(jī)械能守恒定律進(jìn)行規(guī)劃是解題的基本策略。只有充分發(fā)揮“類比思維”進(jìn)行“模型辨識(shí)”，結(jié)合所學(xué)的理論知識(shí)尋找“創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”與課本實(shí)驗(yàn)的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，才能順利地將所學(xué)的知識(shí)遷移到新的情境中，解決問題。
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