巧用阿特伍德机及DIS系统验证机械能守恒定理摘要：“验证机械能守恒定理”是小学数学教学中的重要实验，但实验要求较高，很难在实际教学中举办。本文介绍了巧用阿特伍德机和DIS系统验证机械能守恒定理如何验证转动定律，并以此进行了实验检测，其实验结果验证了机械能守恒定理关键词：DIS系统；机械能守恒定理；阿特伍德机中图分类号：G633.7文献标示码：A文章编号：1003-6148（2017）2-0054-31问题的提出机械能守恒定理（lawofof）是指：在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能和势能可以相互转化，而总的机械能保持不变。“验证机械能守恒定理”是人民教育出版社课程教材研究所编撰的普通中学课程标准实验教科书《物理选修2》[1]第七章第九节的内容。教材中介绍的实验采用如图1所示的装置。实验方式是：用天平检测出重物的质量，因为重物下落的高度等于电火花计时器打出的纸带上某两点之间的距离，便可估算出重物下落过程中重力势能的降低量；再利用纸带上的点估算出重物在各点的瞬时速率，因而得出重物在各点的动能；比较重物在某两点间动能的降低量和重力势能的降低量是否相等，若在实验偏差容许的范围内近似相等便验证了机械能守恒定理教材中介绍的实验条件要求较高且有以下注意事项：（1）为了减少磨擦阻力的影响，在安装电火花计时器时必须使纸带和限位孔在同一竖直线上；（2）为了减少空气阻力的影响，应选用质量和密度较大的重物；（3）为了减少检测下落高度的相对偏差，选定的计数点应离起始点远一些，但也不宜过长；（4）为了使计时时间愈发确切，应当在稳定的市电环境下进行实验实验中，提纸带的手不能晃动，接通电源，待电火花计时器工作稳定后再握住纸带让重物下落面对这种较高的实验要求，许多优秀中学数学班主任努力对“验证机械能守恒定理”的实验进行了改进，比如：安学立基于“波”概念改进了传统的机械能守恒定理实验[2]；唐素珍自制演示装置，规避了无法检测的速率[3]；杨明辉提出了借助转动电机验证机械能守恒定理[4]；张生斌提出了巧用平抛运动验证机械能守恒定理[5]；谢杰妹、陈显盈自制“记忆型”弹簧秤，对验证机械能守恒定理实验进行了创新设计[6]。
这种研究成果的取得充分彰显了广大化学班主任兢兢业业的工作心态。但这种改进仍然存在一些问题，有的改进操作存在困难，有待进一步解决笔者在充分借鉴已有研究成果的基础上，巧用阿特伍德机和DIS系统验证机械能守恒定理，并以此进行了实验检测，其结果验证了机械能守恒定理2实验设计2.1实验目的验证机械能守恒定理2.2??验原理美国剑桥学院物理家、物理学家乔治，1746―1807）为了验证牛顿第二定理，在1784年发表了一篇题为《关于物体的直线运动和转动》的学术论文，提出了一种用于检测加速度及验证牛顿热学定理的机械装置。后人将此机械装置称为“阿特伍德机”，并经常拿来研究匀变速直线运动的规律如图2所示，将两个质量分别为m1、m2的物体系于一根宽度适中越过定滑轮轻质软绳的两端，就组成了阿特伍德机若两物体的质量满足m1由表1中的数据可以看出，本实验设计在偏差容许的范围内验证了机械能守恒定理4剖析与总结本实验设计在偏差容许的范围内验证了机械能守恒定理。实验中每次检测出的系统动能降低量ΔEk要略大于系统重力势能降低量ΔEp，这是由于在实验中存在空气阻力、摩擦力的影响。
另外，在?虮渌僦毕咴硕?中由光电门传感测得的物体在某点的瞬时速率值是大于它在此点的实际速率值的[7]。将钩码的几何中心通过光电门传感的瞬时速率等同于钩码通过光电门传感的平均速率也给实验带来了一些偏差，并且由此带来的实验偏差是不能通过降低检测次数来减少的虽然已有文献提出了确切检测瞬时速率的方式[8]，但这些方式只适用于工程检测，不适用于数学教学实验。在实验中，应选用密度较大、体积较小的钩码和宽度适中的绳子，避免钩码在运动中发生摇摆。若钩码发生摇摆则难以保证两钩码的速率大小相等，给系统动能的估算带来偏差本文介绍的巧用阿特伍德机和DIS系统验证机械能守恒定理的实验设计在实际教学中具有一定的借鉴价值，除了可以拿来验证机械能守恒定理，还可以拿来检测重力加速度。笔者期望本实验设计才能在改进验证机械能守恒定理实验的公路上起到抛砖引玉的作用参考文献：[1]张大昌，等.普通中学课程标准实验教科书化学选修2（第2版）[M].上海：人民教育出版社，2006：73-74.[2]安学立.基于“波”概念的机械能守恒定理验证实验的改进[J].化学班主任，2015，36（1）：53-54.[3]唐素珍.机械能守恒演示装置的改进――自制教具展示作品文章之三[J].化学通报，2015（6）：97-98.[4]杨明辉.“验证机械能守恒定理”实验探究[J].化学教学阐述如何验证转动定律，2009，27（9）：27-29.[5]张生斌.巧用平抛运动“验证机械能守恒定理”[J].化学班主任，2006，27（12）：32-33.[6]谢杰妹，陈显盈.自制“记忆型”弹簧秤设计“机械能守恒”创新实验[J].化学班主任，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.（栏目编辑王柏庐）1