驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

鄭 康　陸建隆

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院　江蘇 南京　210097)

?

驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

鄭 康陸建?、?/p>

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院江蘇 南京210097)

在驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)人教版教材中實(shí)驗(yàn)方法存在的較大誤差提出利用DIS設(shè)計(jì)擺球法方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差在1%以內(nèi)，并將DIS實(shí)驗(yàn)方法與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法相比較，總結(jié)其存在的優(yōu)勢(shì).

機(jī)械能守恒定律擺球法DIS實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1　引言

驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律是高中物理中重要的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，通常只要測(cè)出物體在豎直方向上下落的高度和速度的大小，即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.在人教版高中物理“實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”一節(jié)中，通過(guò)讓物體做自由落體運(yùn)動(dòng)，采用紙帶法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，但筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)結(jié)果存在較大誤差.本文利用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)擺球法，當(dāng)忽略空氣阻力時(shí)，驗(yàn)證小球在豎直平面內(nèi)自由擺動(dòng)時(shí)機(jī)械能守恒，實(shí)驗(yàn)誤差在1%以內(nèi).

2　原實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單易操作，但存在較大的誤差：(1)重物和紙帶在下落過(guò)程中要克服各種阻力做功，除了空氣阻力之外，紙帶和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器之間還存在著一定的摩擦.(2)紙帶上的點(diǎn)存在拖痕，在取點(diǎn)和測(cè)量時(shí)影響實(shí)驗(yàn)精度.(3)計(jì)數(shù)點(diǎn)選擇不好及紙帶放置方法不正確產(chǎn)生的摩擦也會(huì)造成實(shí)驗(yàn)誤差.

圖1　教材中驗(yàn)證機(jī)械能守恒的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2　改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3　實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

為了改進(jìn)實(shí)驗(yàn)效果，采用DIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)擺球法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示.

3.1實(shí)驗(yàn)器材

計(jì)算機(jī)，朗威DIS，光電門傳感器，鐵架臺(tái)，天平，千分尺，擺球，細(xì)線，米尺.

3.2實(shí)驗(yàn)原理

把一個(gè)擺球用細(xì)線懸掛起來(lái)并拉到一定的高度，然后放開(kāi)，擺球在擺動(dòng)過(guò)程中，動(dòng)能和勢(shì)能發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，如果忽略空氣阻力的影響，則只有重力對(duì)其做功，所以機(jī)械能守恒.

本實(shí)驗(yàn)中，選取地面為零勢(shì)能點(diǎn).從A點(diǎn)(h=0.70m)釋放擺球，選定擺動(dòng)過(guò)程中高度h不同的B(h=0.53m)、C(h=0.42m)、D(h=0.28m)點(diǎn)，先后在每一點(diǎn)處放置光電門傳感器，使擺球恰好穿過(guò).在每一點(diǎn)處擺動(dòng)6次，測(cè)出6個(gè)時(shí)間值t1，t2，t3，t4，t5，t6，取平均值t以減小誤差.

E=mgh+0.5mv2

比較4點(diǎn)處機(jī)械能的大小.

3.3實(shí)驗(yàn)過(guò)程與數(shù)據(jù)分析

(1)打開(kāi)計(jì)算機(jī)進(jìn)入DIS系統(tǒng)，放置好鐵架臺(tái)，將擺球用一定長(zhǎng)的細(xì)線系在鐵架臺(tái)上.用另一只鐵架臺(tái)把光電門傳感器固定在B處，移動(dòng)光電門傳感器固定臂，使用測(cè)平器觀察并調(diào)整光電門的透光孔正好在B點(diǎn)，使得此時(shí)擺球的直徑穿過(guò)光電門傳感器的發(fā)射端和接收端的連線.將光電門傳感器接入數(shù)據(jù)采集器的第一通道.

(2)將擺球從A點(diǎn)釋放，當(dāng)擺球通過(guò)光電門傳感器后，阻止擺球擺動(dòng)，記錄下擺球通過(guò)光電門傳感器的時(shí)間，重復(fù)做6次，記錄數(shù)據(jù)，算出平均時(shí)間t.

(3)移動(dòng)光電門傳感器，調(diào)整光電門傳感器使其分別位于C點(diǎn)、D點(diǎn)，重復(fù)步驟2.

(4)分別計(jì)算擺球在A,B,C,D 4點(diǎn)的勢(shì)能、動(dòng)能和機(jī)械能.

得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

表1　擺球在4個(gè)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)

*表格中m表示物體質(zhì)量.

4　總結(jié)

相比于教材中驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的方法，用DIS系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)有效避免了采用紙帶法所帶來(lái)的與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器之間的摩擦，同時(shí)DIS系統(tǒng)中的光電門傳感器可以精確測(cè)量微小的時(shí)間，并可靈活添加公式計(jì)算出速度、動(dòng)能等物理量.運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件處理數(shù)據(jù)，同時(shí)也省去了紙帶法中繁雜的描點(diǎn)、計(jì)算和作圖等過(guò)程，實(shí)驗(yàn)效率有所提高.另外，DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能強(qiáng)大、應(yīng)用范圍廣、測(cè)量精度高、數(shù)據(jù)處理快速準(zhǔn)確、操作便捷，學(xué)生可以運(yùn)用DIS系統(tǒng)將具體的學(xué)科知識(shí)和實(shí)踐操作相結(jié)合，增強(qiáng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、動(dòng)手操作、觀察思考以及分析處理數(shù)據(jù)的能力，同時(shí)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)工具的運(yùn)用也改善了教學(xué)環(huán)境，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣.因而在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師不妨多思考是否能夠運(yùn)用如DIS系統(tǒng)的數(shù)字化工具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新，以期促進(jìn)我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué).

①鄭康(1993-)，男，在讀研究生.指導(dǎo)教師：陸建隆(1962-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事理論物理、物理課程與教學(xué)論的教學(xué)與研究.

2016-02-15)