在黑板上做机械能守恒定律的演示实验

应周武

摘要：利用磁体吸引铁质黑板的特性，设计了以黑板为背景的钢球摆动实验。实验时能多次调节挡绳的“钉子”位置，实验现象明显，趣味性强，能较好地说明机械能守恒定律。

关键词：磁体：位置；机械能

中图分类号：G633.7

文献标识码：A

文章编号：1003-6148（2014）5（S）-0077-1

1 实验器材

两块圆环柱形磁体（厚度1.0cm，内直径2.5cm，外直径5.0cm）。二根长约80em的细线。一只直径1.2cm的钢球，四颗圆柱形强磁体（吸在一起总厚度2.0cm。直径0.9cm）。一只直径约1cm的泡沫球。

2 实验装置

（1）一根长约80cm的细线一端固定钢球，另一端打结并夹在两块圆环磁体之间。

（2）将圆环磁体放置在黑板上较高的位置（固定单摆的悬挂点）。

3实验过程

3.1钢球摆动过程的受力、做功和能量分析

演示：将钢球拉到细绳与竖直方向约30°位置，用粉笔记下此时的位置为A，释放钢球，钢球能摆到右端最高点记为B。用粉笔画出一条较长的水平直线，钢球摆动二周后用左手拿住钢球。

师生要解决的问题：（1）钢球在摆动过程中受什么力的作用？拉力有没有做功？为什么？（2）钢球从A点摆到最低点过程中。重力做什么功？重力势能，动能如何变化？钢球从最低点摆到B的过程中，重力做什么功？重力势能。动能如何变化？

3.2钢球摆动过程遇到钉子时候的受力、做功和能量分析

提问：如果钢球在摆动过程中细绳遇到一枚钉子，钢球还能到达最高点吗？

演示：用四颗强磁体做为“钉子”，放在圆柱形磁体下方约20厘米处。把钢球拉到A点释放。摆动二周后用左手拿住钢球。

演示：“钉子”向下移动约20厘米，把钢球拉到A点再次释放，摆动二周后用左手拿住钢球。“钉子”再向下移动约20厘米，重做实验。

师生要解决的问题：不论“钉子”在哪个位置，钢球都能摆到相同的高度，从能量角度分析说明了什么呢？

3.3泡沫球摆动过程遇到钉子时候的受力、做功和能量分析

提问：如果把钢球换成泡沫球，还能摆到相同的高度B吗？

演示：把一端挂有泡沫球同样长的细绳的另一端夹在二块圆环磁体之间，同样的把泡沫球拉到A点释放。

师生要解决的问题：泡沫球为什么不能摆到相同的高度呢？

教师强调：空气阻力做功，机械能不守恒。

提问：如果钢球摆动过程是紧贴在黑板上的，还能摆到相同的高度B吗？

教师强调：黑板阻力做功，机械能不守恒。

4 实验亮点

（1）以黑板为背景的钢球摆动实验，可见度很大，观察到的现象很明显，操作也很方便。

（2）实验的趣味性强，泡沫球的摆动使学生觉得很可笑，说明了泡沫球的摆动大大出乎学生的意料，从而加深了对空气阻力的作用效果的认识，让学生深刻体会到何时空气阻力是必须考虑的，何时空气阻力是可以忽略的。

（栏目编辑

邓磊）