验证机械能守恒定律实验创新题解析

验证机械能守恒定律实验创新题解析源于课本而高于课本，注重求新求变求异，重视创新性的改造与拓展，是近年来高考实验命题的一大趋势。现列举三个近年考查“验证机械能守恒定律实验”的创新题，供学习参考.一、用新装置验证旧结论题1.如图1所示，两个质量各为m1和m2的小物块A和B，分别系在一条跨过定滑轮的软绳两端，已知m1m2，现要利用此装置验证机械能守恒定律.（1）若选定物块A从静止开始下落的过程进行测量，则需要测量的物理量有.①物块的质量m1、m2；②物块A下落的距离及下落这段距离所用的时间；③物块B上升的距离及上升这段距离所用的时间；④绳子的长度.（2）为提高实验结果的准确程度，某小组同学对此实验提出以下建议：①绳的质量要轻；②在“轻质绳”的前提下，绳子越长越好；③尽量保证物块只沿竖直方向运动，不要摇晃；④两个物块的质量之差要尽可能小.以上建议中确实对提高准确程度有作用的是.（3）写出一条上面没有提到的提高实验结果准确程度有益的建议：.解答：（1）依实验目的，本实验需要测量的物理量有：两物块质量m1、m2，物块下落或上升的高度h，对应时刻两物块运动速度大小v；因两物块均从静止开始作匀加速直线运动，则有·t，故有.所以直接测量的物理量是：①②或①③.（2）对提高实验结果准确程度有作用的建议是：①③.（3）对实验结果准确程度有益的其他建议有：对运动同一高度所需时间进行多次测量取其平均值；选取受力后相对伸长量尽量小的绳；尽量减少绳与滑轮的摩擦；尽量减少滑轮与轴的摩擦；选用质量轻的小滑轮；物块A和B要选用密度大的金属等等.评析：本实验是用新装置（细绳定滑轮连接体模型）验证旧结论（机械能守恒定律），源于教材而远高于教材.其新颖之处有二：一是从课本实验验证一个物体机械能守恒，拓展到两个物体系统的机械能守恒，并且实验器材、实验方法、物理量的测定、实验条件控制和实验误差分析，与课本相应实验相比有了较大深化与拓展；二是问题设计及答案具有探究性、开放性与发散性.如需要直接测量的物理量，可以是①②，也可以是①③.其中“写出一条上面没有提到的对提高实验结果准确程度有益的建议”，提问开放度较高，只要合理可行的均可给分.这是近年高考实验题的考查方向.二、用旧装置验证新结论题2.某同学利用如图2所示的实验装置验证机械能守恒定律.弧形轨道末端水平，离地面的高度为H.将钢球从轨道的不同高度h处静止释放，钢球的落点距轨道末端的水平距离为s.（1）若轨道完全光滑，s2与h的理论关系应满足s2=（用H、h表示）.（2）该同学经实验测量得到一组数据，如下表所示：2.003.004.005.006.002.623.895.206.537.78请在图3的坐标纸上作出关系图.（3）对比实验结果与理论计算得到的关系图线（图中已画出），自同一高度静止释放的钢球，水平抛出的速率（填“小于”或“大于”）理论值.（4）从关系图线中分析得出钢球水平抛出的速率差十分显著，你认为造成上述偏差的可能原因是.解答：（1）设钢球离开轨道末端的速度为v，若轨道完全光滑，则有.钢球离开轨道后做平抛运动，则有.整理可得：s2=4Hh.（2）实验数据作出的关系图如图4所示.（3）由图4可知，高度h一定，平抛水平位移s2的实际值小于理论值，故钢球平抛的速率小于理论值.（4）钢球速率出现偏差的可能原因，一是轨道粗糙存在摩擦；二是钢球除了平动还要转动，存在转动的动能.故答案为：摩擦，转动（回答任一合理答案即可）.评析：本实验是用旧装置（探究平抛运动的斜槽装置）验证新结论（机械能守恒定律），问题情景既熟悉又陌生.其可圈可点之处：一是对斜槽装置“探究平抛运动”实验的功能的深化与拓展，难度适中、灵活性强，有较好区分度；二是重点突出对实验原理与方法、图象法处理数据、误差分析能力等较高层面上的考查.三是问题（4）的答案具有开放性与探究性.三、用新装置验证新结论题3.由理论分析可得，弹簧的弹性势能公式为（式中k为弹簧的劲度系数，x为弹簧的形变量）.为验证这一结论，A、B两位同学设计了如下的实验：①首先他们都进行了图5甲所示的实验：将一根轻质弹簧竖直挂起，在弹簧的另一端挂上一个已知质量为m的小铁球，稳定后测得弹簧伸长量为d；②A同学完成步骤①后，接着进行了如图5乙所示的实验：将这根弹簧竖直的固定在水平桌面上，并把小铁球放在弹簧上，然后竖直地套上一根带有插销孔的长透明塑料管，利用插销压缩弹簧；拔掉插销时，弹簧对小铁球做功，使小铁球弹起，测得弹簧的压缩量为x时，小铁球上升的最大高度为H.③B同学完成步骤①后，接着进行了如图8丙所示的实验.将这根弹簧放在一光滑水平桌面上，一端固定在竖直墙上，另一端被小球压缩，测得压缩量为x，释放弹簧后，小球从高为h的桌面上水平抛出，抛出的水平距离为L.（1）A、B两位同学进行图5甲所示实验的目的是为了确定物理量：，用m、d、g表示所求的物理量：.（2）如果成立，那么A同学测出的物理量x与d、H的关系式是：x=；B同学测出的物理量x与d、h、L的关系式是：x=.解析：（1）目的是测量弹簧的劲度系数k.当小球处于静止时，有，可得（2）A同学的实验：将弹簧压缩x后释放小球，到小球上升高度H，根据机械能守恒可得，可解得B同学的实验：将弹簧压缩x后释放小球，有小球离开桌面后，以速度v0做平抛运动，有和解以上三式可得评析：这三道考题可以代表近年及今后的高考考查方向，情境与结果（或原理）的新旧配合，考查了学生灵活应用所学知识的能力，同学们在练习中多揣摩命题人意图、根据已知信息整合我们的知识建立联系是我们解答这类问题的关键.