专栏介绍
《教学与考试》杂志为公开发行的省级教育期刊，2018年1月与中国知网达成合作，办刊宗旨是服务高考改革、服务高中教学、研究高考出题规律。
本栏目呈现《教学与考试》杂志内容精髓，精选各类科目的解题策略，供读者参考和供教师参考。
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关于作者
胡道成：高级教师，贵州省乾陵名师，贵州省农村教育工作者培养对象，贵州省骨干教师，威宁县县级专家，在《教学考试》杂志等30余种杂志、期刊发表教学、研究文章160余篇。
本文发表于《教学与考试》2022高考物理3
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机械能守恒定律实验分析与验证的创新方法与解决策略
“实验探究能力”是高考物理重点考察的能力之一，而验证机械能守恒定律的实验承载着检验物理概念的功能，逐渐成为高频考点。该类试题设计具有以下特点：依托教材中的基础实验、基本设备，将实验原理、思路方法、设备（装置）选择、实验步骤、数据处理、注意事项、误差分析等方面进行改造、嫁接、迁移、综合、拓展，突出培养学生的理解能力、分析能力、知识迁移能力、实验设计能力、运用数学知识解决物理问题的能力和创新应用能力，将学生熟悉的实验情境与新的探究情境有机结合，对教材实验进行拓展、延伸和探索，体现新课程实验教学提倡的设计性、探究性和开放性命题要求。下面就来谈谈验证机械能守恒定律实验的创新途径和解题策略，以期为高考复习助力。
基于机械能守恒定律的条件，可作如下考虑：第一，从合力做功的角度看，系统中只有重力和弹力做功，系统的机械能守恒；第二，从能量守恒定律的角度看，系统中只有动能与势能相互转化，没有机械能与其他形式能量的转化，系统的机械能守恒。在满足安全性、可行性、准确性、操作简便性的前提下，只要满足机械能守恒的条件，就可以设计创新实验，以考察学生的探究能力和创新能力。
1.验证气垫导轨上弹簧弹性势能转化为动能过程中机械能守恒
创新性实验题是将高中物理教材中未出现的知识内容与考生所学的理论知识、基本实验设备相结合而形成的，这样既能体现考生“获取信息、组织信息”能力的考试要求，又符合高考对实验研究能力的考核要求——“运用所学的物理理论、实验方法和实验仪器解决问题的能力，包括简单的设计性实验”。
【点评】由弹簧弹性势能表达式可知，需要借助实验设备测出公式中涉及的物理量，然后结合所学知识，利用“能量概念”突破实验原理，挖掘出“滑块离开弹簧时的速度就是通过光电门的速度”这一隐含条件，从而完成问题的解答。复习过程中，要善于寻找不同知识点之间的“嫁接”关系，在“知识连接点”处提出问题是常见的创新方式，学生要灵活地将所学知识迁移到新情境中去解决新问题。
2. 验证连接系统的机械能守恒
以连接器作为实验的研究对象，以系统机械能守恒取代单个物体的机械能守恒，是实验原理的创新。
【例2】某学生利用图3所示实验装置验证机械能守恒定律，现有设备包括气垫导轨、滑块（上面安装有已知宽度d的遮光片）、两个与计算机相连的光电门、砝码盘及砝码。
请完成以下问题：
（1）除上述设备外，为了完成实验，您还需要以下设备：
平衡
B. 秒表
C. 标尺
D、游标卡尺
（2）启动气泵，将滑块单独放在气垫轨道上，调节气垫轨道下方的螺钉，轻轻推动滑块。当滑块上的遮光片通过两个光电门的遮光时间时，即可认为气垫轨道处于水平状态。当用重量片通过细钢丝跨过轻量定滑轮拉动滑块时，细钢丝拉力的方向必须与重量片的拉力方向一致。
（3）设重物和重物板的质量为m，滑块（含遮光板）的质量为M，本实验中， （填“需要”或“不需要”）满足m≪M。
（4）若滑块在重锤板的拉动下从左侧开始移动，则用光电门测出遮光板经过A、B时的遮光时间。
和
，点 A 和 B 之间的距离为
，则验证机械能守恒定律的表达式为。
【解析】（1）实验中，需要用天平称量砝码盘和砝码的质量m，滑块（含遮光片）的质量M，用尺子测量A、B两点之间的距离。由于已知遮光片的宽度，所以不需要用游标卡尺，也不需要用秒表，所以A、C为正确答案。
（2）当滑块上的遮光板通过A、B两个光电闸所需的时间相等时，可认为气垫导轨处于水平状态。
（3）本实验中为测定气垫导轨上滑块的加速度，滑块的重力势能保持不变，重物盘和重物拉动滑块时，细丝拉力的方向必定是水平的。
(4) 实验中，以滑块、配重板及配重整体作为研究对象贝语网校，不必满足m≪M。
【点评】用光电门代替点式计时器测速是很常见的，同学们应该熟悉这种测速方法。本题易犯的错误是滑块的势能不变，但动能增量要考虑滑块、砝码和砝码盘；以验证牛顿第二定律的实验中的要求作为本题的干扰条件。只有深刻理解每个实验的基本原理，明确每个装置能完成的不同实验，熟悉每个实验的实验要求，才能避免“把错的帽子戴在错的头上”的错误。
3. 运用“摆锤法”验证物体做圆周运动时机械能的守恒
用“单摆法”验证做圆周运动物体机械能守恒，体现了实验原理的创新，实验设备的改进也体现了一定的创新。
【例3】某学生设计了一个实验装置为测定气垫导轨上滑块的加速度，用来验证如图4A所示的系统的机械能守恒。他用一条不易拉伸的细线穿过一个有孔的小钢球并打结。他将小球悬挂在铁架上的O点，在O点正下方安装一个光电门A，并在铁架上固定一把尺子，测量悬挂点到光电门中心的距离l。他进行了以下步骤：
（1）将铁架放在水平桌上，用小钢球作“砝码线”检查铁架支撑，调整至垂直状态；调整光电闸门的位置，使细铁丝垂直悬挂时，光电闸门中心与小钢球中心重合，从刻度尺上读出悬挂点到光电闸门中心的距离l，如图4B所示，则l=cm。
（2）把小钢球拉到水平位置（用直角三角尺检查细线是否水平），静止松开，记录小钢球通过光电门的时间
，用千分尺测量小钢球的直径d如图4C所示，则d=mm。
（3）若当地重力加速度
为了验证机械能守恒定律，只需验证g=（用d、t、l表示），如果在允许的误差范围内，认为g的计算值与给定值相等，则验证了机械能守恒定律。
（4）根据以上数据计算出的 g =
（计算结果四舍五入到3位有效数字）同学分析了造成上述测量结果的原因，可能是用尺子测量l时，测量结果为（选择“太大”或者“太小”）。
【点评】要回答创新实验原理的问题，首先要分析研究对象所经历的运动过程，然后根据运动过程所遵循的物理规律，列出相关方程，推导出需要验证的表达式。表达式可以转化为两个变量之间的函数关系，这样就可以引入镜像法来处理数据。在这个实验中，如果我们通过改变细丝的长度和光电门的位置进行多次测量，就可以使
关系图，其斜率k=
、重力加速度
，可以实现数据处理方法的创新。
4. 利用水平投影运动验证摆锤摆动过程中机械能的守恒
通过小球在垂直平面内的摆动过程验证了机械能守恒定律，需要验证的是小球在摆动过程中减少的重力势能与增加的动能是否近似相等。小球终端速度的测量方法巧妙地转化为水平运动的水平和垂直位移的测量，体现了“转化思想”的具体应用。
[例4] 某学生利用图5所示的装置，探究小球在向下摆动过程中，其机械能是否守恒。他将一条不易拉伸的细线的一端固定在天花板上的O点，另一端吊上一颗小钢球。在O点正下方有一根温度很高的电热丝。已知当地的重力加速度为g。
实验步骤如下：
①实验开始前，测量球的直径D，然后让球自然悬挂，测量悬挂线的长度为L，球下端距水平地面的高度为h；
②将小球从平衡位置向左拉，测得细丝与垂直方向的夹角为θ。将小球从静止状态松开，使小球在垂直平面内做圆周运动。小球运动到最低点的瞬间，细丝被电热丝烧毁（忽略细丝燃烧过程中小球的能量损失）；
③ 细铁丝烧断后，让球做水平运动，测得球落地时的水平位移为s。
完成以下问题：
（1）本次实验用到的设备有：细铁丝、小球、加热丝、量角器，所需其他设备为（填写选项前的字母）。
平衡
B. 标尺
C、游标卡尺
（2）水平抛球时的速度表示为
=（用被测量物理量和已知量的符号表示）。
（3）验证机械能守恒定律的表达式为（用被测物理量和已知量的符号表示）。
【点评】对于“移植花木”这类组合题，解题的出发点是探究题中物理现象所蕴含的物理规律，寻找知识的交集并进行突破。这就要求学生对基础知识有层次化的理解，形成学科知识网络。只有这样，学生才能将所学的知识迁移到新情境中，解决新问题。
五、结论
凡是满足机械能守恒定律的运动情境都可以成为本实验的命题材料，无论情境如何变化，所考查的能量概念和守恒定律思想是不变的。围绕机械能守恒定律进行规划是解题的基本策略。只有充分发挥“类比思维”进行“模型辨识”，结合所学的理论知识寻找“创新实验”与课本实验的相同点和不同点，才能顺利地将所学的知识迁移到新的情境中，解决问题。
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