一道“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)題引發(fā)的教學(xué)思考

陳沛鋒

摘 要：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律是高中物理教學(xué)中的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，是高考實(shí)驗(yàn)命題的熱點(diǎn)之一。由批改一道關(guān)于“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)題中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)提出一些建議，以期對(duì)一線教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到一定的幫助，有效地提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。

關(guān)鍵詞：高中物理；機(jī)械能守恒；實(shí)驗(yàn)；教學(xué)

驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律是高中物理的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，它幫助學(xué)生理解機(jī)械能守恒定律的同時(shí)，很好地考查了學(xué)生對(duì)高中物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)的綜合理解能力，是物理高考實(shí)驗(yàn)命題的熱點(diǎn)之一。本人通過(guò)批改一道“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)題中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)提出一些建議，以期促進(jìn)教學(xué)效果的提升。

試題：如圖，利用重物自由下落驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)裝置。

（1）在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，沒(méi)有必要進(jìn)行的操作是（ ）

A.用天平測(cè)重物的質(zhì)量

B.用秒表測(cè)重物下落的時(shí)間

C.用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄重物下落的信息

D.用紙帶記錄重物下落的高度

（2）在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了減小誤差，重物應(yīng)該選質(zhì)量 的重錘（選填“較大”或者“較小”）其主要原因是 ；紙帶打點(diǎn)時(shí)，應(yīng)在釋放紙帶 （選填“之前”或“之后”）接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源。

（3）該實(shí)驗(yàn)所用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源頻率為50 Hz，紙帶如圖。A、B、C為紙帶中選取的三個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，每?jī)蓚€(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間還有4個(gè)點(diǎn)未畫(huà)出，則每?jī)蓚€(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔T= s，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在打下計(jì)數(shù)點(diǎn)B時(shí)，物體的下落速度為vB= m/s（保留三位有效數(shù)字）。

（4）由于該實(shí)驗(yàn)中存在阻力做功，所以實(shí)驗(yàn)測(cè)得的重物的重力勢(shì)能的減少量 （選填“大于”、“小于”或“等于”）動(dòng)能的增加量。

本題從實(shí)驗(yàn)原理、數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)誤差分析等方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行了考查，從試題批改的情況來(lái)看，學(xué)生答題主要存在以下幾個(gè)主要問(wèn)題：

1.對(duì)實(shí)驗(yàn)原理理解不到位。如要測(cè)量的物理量，操作的先后順序等。

2.沒(méi)有掌握實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的方法。在判斷兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)的時(shí)間間隔時(shí)，答了0.02 s、0.08 s或者1 s等。打下計(jì)數(shù)點(diǎn)B的速度算出了0.196 m/s、9.8 m/s等。

3.對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差來(lái)源不理解。學(xué)生選擇了“較小”的重物，重物重力勢(shì)能的減少量應(yīng)“小于”或“等于”動(dòng)能的增加量。

4.沒(méi)有按題目要求，表述不規(guī)范。有些學(xué)生選填了“前”而不是“之前”等，結(jié)果沒(méi)有保留三位有效數(shù)字。

為解決這些典型的答題錯(cuò)誤問(wèn)題，在本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)上，我覺(jué)得要明確以下幾個(gè)教學(xué)內(nèi)容。

1.熟悉打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的工作原理。如果打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用頻率為50 Hz的交流電源，則每個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)的時(shí)間間隔是0.02 s，如取每5個(gè)點(diǎn)作為一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，則每?jī)蓚€(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)的時(shí)間間隔是0.1 s。打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄物體運(yùn)動(dòng)時(shí)間和位移的儀器，實(shí)驗(yàn)中不需要再單獨(dú)用秒表來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)時(shí)如要求第一個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)速度為零，就應(yīng)該遵守“先接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源，再釋放紙帶”的操作。

2.重點(diǎn)理解實(shí)驗(yàn)原理，了解誤差來(lái)源。機(jī)械能守恒定律的一種理解是，物體在只有重力（或系統(tǒng)內(nèi)彈力）做功的情況下，勢(shì)能的變化量等于動(dòng)能的變化量。用物體做自由落體運(yùn)動(dòng)的模型來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，就是看看在只有重力做正功的情況下，物體重力勢(shì)能的減少量是否等于其動(dòng)能的增加量，因式子兩邊均有質(zhì)量，可以用含有共同符號(hào)m的結(jié)果對(duì)比，故實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不需要用天平測(cè)量重物的質(zhì)量。這就是本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的阻力是不可避免的，所以阻力做負(fù)功會(huì)損失一定的機(jī)械能，物體實(shí)際下落過(guò)程中，其重力勢(shì)能的減少量會(huì)略大于動(dòng)能的增加量。為了使物體的運(yùn)動(dòng)盡量接近自由落體運(yùn)動(dòng)，我們的重物應(yīng)該選擇密度、質(zhì)量都較大的物體，目的是讓物體在下落過(guò)程中受到的阻力與重力相當(dāng)，可以忽略，盡量減小阻力做負(fù)功對(duì)機(jī)械能損失的影響，減小實(shí)驗(yàn)誤差。這些都是理解此實(shí)驗(yàn)原理的關(guān)鍵點(diǎn)，在教學(xué)過(guò)程中必須向?qū)W生明確說(shuō)明，降低做題過(guò)程中錯(cuò)誤率。

3.對(duì)記錄做勻變速直線運(yùn)動(dòng)信息的紙帶數(shù)據(jù)處理，是高中物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)的核心內(nèi)容。數(shù)據(jù)處理主要有兩個(gè)方面：計(jì)算物體運(yùn)動(dòng)的加速度和運(yùn)動(dòng)到某時(shí)刻的瞬時(shí)速度。物體運(yùn)動(dòng)加速度的計(jì)算用到勻變速直線運(yùn)動(dòng)一個(gè)重要結(jié)論：相鄰相等時(shí)間間隔的兩段位移之差△S，等于物體運(yùn)動(dòng)加速度與時(shí)間間隔的平方的乘積aT2，或者用逐差法來(lái)求解。計(jì)算某點(diǎn)的瞬時(shí)速度問(wèn)題，利用勻變速直線運(yùn)動(dòng)中某段過(guò)程的平均速度與其中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度相等原理來(lái)求解。在這兩個(gè)問(wèn)題的計(jì)算上，學(xué)生很容易在時(shí)間處理、單位換算、計(jì)算準(zhǔn)確以及結(jié)果表達(dá)要求等問(wèn)題上犯錯(cuò)。

4.重視表述的規(guī)范

答題時(shí)的用詞要規(guī)范，特別是要選填的問(wèn)題，該選填“之前”的就不能簡(jiǎn)單填一個(gè)字“前”。還有，計(jì)算結(jié)果要求“保留幾位有效數(shù)字”和“保留小數(shù)點(diǎn)后幾位數(shù)字”的區(qū)別等。

物理學(xué)是一門(mén)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)科，要想學(xué)好，必須重視對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。而且，物理知識(shí)點(diǎn)間的聯(lián)系非常密切，知識(shí)網(wǎng)絡(luò)性很強(qiáng)，一道物理題基本上是幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)的綜合，這就要求教師在授課過(guò)程中要加強(qiáng)對(duì)知識(shí)的整合，讓學(xué)生更好地掌握，本題就是一個(gè)典型。同時(shí)，在教學(xué)過(guò)程中要多通過(guò)對(duì)答題情況的分析，制訂有針對(duì)性的教學(xué)策略，達(dá)到提升教學(xué)成績(jī)的效果。

參考文獻(xiàn)：

肖程碑.驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.實(shí)驗(yàn)的評(píng)析.成都教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2000（08）.

編輯 薛直艷