問題1：應(yīng)該選擇什么樣的情境來驗證機械能守恒定律？答：由于機械能守恒定律是有條件的：只有重力或者彈簧彈力做功。因此選擇的問題情境必須滿足以上的條件。在上節(jié)課的學(xué)習(xí)中，滿足以上條件的情境如圖所示有三種：①自由落體運動②拋體運動③物體在豎直平面內(nèi)的自由擺動以上三種情境中，物體做自由落體和拋體運動時只受重力，所以滿足只有重力做功的條件；小球在豎直平面內(nèi)擺動（忽略空氣阻力）時，小球受到重力和拉力兩個力的作用，但是拉力方向始終與速度方向垂直，所以拉力不做功，因此小球擺動過程中也只有重力做功。三種情境都滿足機械能守恒的條件，因此都可以通過實驗驗證此過程機械能是否守恒。問題2：如何利用上述情境驗證機械能守恒定律？

答：上節(jié)課的學(xué)習(xí)中，我們知道機械能守恒定律常有如下幾種表達形式：①系統(tǒng)在初始狀態(tài)的機械能等于系統(tǒng)在末狀態(tài)的機械能：

E初=

E末②系統(tǒng)動能的增加量等于勢能的減少量：-ΔEp=

ΔEk

以上兩種表達形式本質(zhì)上是等價的，因此實驗時可以選擇任何一種進行驗證即可。如果驗證①，需要在物體運動過程中任選幾個位置，測量物體在每個位置的動能和重力勢能，然后驗證物體經(jīng)過每個位置時的動能和勢能之和是否在誤差允許的范圍內(nèi)相等，即可驗證物體運動過程中機械能是否守恒。由于重力勢能具有相對性，測量物體在某一位置時的重力勢能需要先確定參考平面，再測量物體所在位置到參考平面的高度。如果選擇驗證②，需要在物體運動過程中多次任選兩個位置，測量物體在兩個位置間重力勢能的減少量和動能的增加量是否在誤差允許的范圍內(nèi)相等，即可驗證物體運動過程中機械能是否守恒。在之前的學(xué)習(xí)中，我們已經(jīng)認識到，雖然重力勢能具有系統(tǒng)性，但重力勢能的變化與選取的參考平面無關(guān)，因此與驗證①相比，驗證②無需確定參考平面，過程相對簡單。

根據(jù)重力勢能的表達式和動能的表達式可知以上兩種方案中，

都需要測量高度和速度。測量高度可以使用刻度尺，測量速度可以利用打點計時器、頻閃相機、光電門、速度傳感器等。其中打點計時器是高中物理中重要的實驗器材之一，利用打點計時器可以較為便捷的驗證自由落體運動過程中的機械能守恒。問題3：如何利用打點計時器驗證自由落體運動過程中機械能是否守恒？實驗裝置如圖所示。實驗時，一定要先接通與打點計時器相連的交流電源，再釋放紙帶，重物自由下落，帶動紙帶運動，通過研究紙帶上的點跡可以獲取與紙帶相連的重物的運動情況。子問題①：如何測量重物下落的瞬時速度？測量重物動能的增加量的關(guān)鍵是測量重物下落的瞬時速度，原理在必修1探究小車的速度隨時間的變化規(guī)律的實驗中已經(jīng)學(xué)習(xí)過。圖中打點計時器打下B點時，重物的速度子問題②：實驗時，如何判斷重物下落過程中機械能是否守恒？答：通過比較任意兩點間中重物重力勢能的減少量與動能的增加量是否相等，就可以驗證重物下落過程中機械能是否守恒。實驗時，測量重物重力勢能的減少量時先要測量選定兩點（比如圖中OB兩點）間的高度hB，比如然后利用重力勢能的減少量等于重力所做的正功，即-ΔEp=mghB計算可得。動能的增加量驗證重物下落過程中機械能守恒就是要比較中

-ΔEp

和ΔEk是否相等。子問題③：實驗時，為什么不需要測量重物的質(zhì)量？答：由于重力勢能和動能的表達式中，都含有物體的質(zhì)量m。因此實驗時，驗證機械能守恒時并不需要測量重物的質(zhì)量，只需比較是否相等即可。子問題④：為什么實驗中測得重力勢能的減少量總是大于動能的增加量？答：自由落體運動是物體只在重力作用下的運動。但重物下落時，一定受到空氣阻力，與此同時，與重物相連的紙帶還受到摩擦力的作用。在這些阻力的影響下，重物下落的加速度a總是小于重力加速度g，根據(jù)因此重物重力勢能的減少量總是略大于重物動能的增加量。實驗中應(yīng)當采取以下措施盡量減小這些力對實驗的影響：①選取質(zhì)量和密度較大的重物，可相對減小空氣阻力的影響②實驗中，打點計時器的兩個限位孔要盡量在一條豎直線上，可相對減小摩擦力的影響。子問題⑤：除比較重物下落過程重力勢能的減少量和動能的增加量是否相等外，還可以如何利用實驗數(shù)據(jù)驗證機械能守恒？答：實驗時，從紙帶上選取多個點，測量從第一個點到其余各點的下落高度h，并計算各點速度的平方v2，然后以v2為縱軸，h為橫軸，做出

v2—h圖線，若圖線是過原點且斜率為2g的直線，則重物下落過程中機械能守恒。問題4：如何設(shè)計實驗，驗證拋體運動和小球在豎直平面內(nèi)擺動過程中機械能守恒？

答：可以利用如圖所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律：弧形軌道末端水平，離地面的高度為H．將鋼球從軌道的不同高度h處靜止釋放，鋼球的落點距軌道末端的水平距離為s．若小球在軌道上運動的阻力可忽略，s2與h的理論關(guān)系滿足s2=4Hh

，即可認為小球運動過程中機械能守恒。用如圖所示的裝置可以驗證物體在豎直面內(nèi)擺動過程中機械能是否守恒。實驗時，讓細線懸掛的質(zhì)量分布均勻的小圓柱體繞懸點O在豎直平面內(nèi)擺動。將光電門1固定在小圓柱體運動軌跡的最低點，調(diào)整光電門2的位置，是