“驗證機械能守恒定律”的實驗探究性教學

引入：機械能守恒定律：在只有重力或彈力做功的物體系統內，動能和勢能可以相互轉化，而總的機械能保持不變．

探究1——猜想：可采用什么方法驗證該定律？

學生從定律出發，通過猜想、討論、分析，選擇研究對象，確定運動模型；分析適用條件，從多個運動模型中，尋找恰當的運動模型：可選用熟悉的運動模型，如自由落體運動、拋體運動等，可思考探討新的模型，如單擺等．

探究2——小組討論：分析幾種運動模型的可操作性．

適合條件的運動模型有多種，必須分析運動模型的可操作性．關于實驗的可行性分析，是實驗分析的重點與難點，更是決定實驗能否完成的關鍵所在．

例如，有學生提出利用單擺來驗證機械能守恒定律．實驗設計如下：將小球拉至某一高度后由靜止釋放，測得小球擺動穩定后經過最低點時的速度以及小球到達的最高點的高度，即可通過比較小球在最低點的動能和到達最高點時的重力勢能來驗證定律．

有學生提出質疑：①很難測量小球在最低點的速度；②很難準確測定小球在擺動過程中到達的最高點的位置．討論后，學生們一致認為單擺模型的可操作性低．最終大多數學生都選擇利用自由落體運動模型來完成該實驗．

探究3——小組討論、動手：該實驗需選用什么實驗器材？如何組裝？

筆者引導學生依據實驗原理，確定需要測量的物理量，選擇恰當的實驗儀器．在該環節中，重點引導學生關注“恰當”，涉及電表量程、儀器精確度的選擇等問題．

本實驗目的是驗證，需要確定兩個狀態，分別測量兩個狀態對應的v1、v2、h1、h2．學生注意到，自由落體運動是初速度為零的勻加速直線運動，若以重物剛下落的瞬間為初狀態，則只需測量末狀態的v、h，驗證?葒Ek與?葒EP是否相等即可．學生這一提議，大大簡化了數據處理的過程．

學生們經討論還提出：選用鐵架臺豎直固定打點計時器，利用打點計時器記錄重物的運動狀態，利用紙帶測量重物下落的高度和測算對應的速度．

在筆者的引導下，各小組動手組裝好實驗裝置，檢驗實驗的可操作性，做好實驗準備工作．

探究4——猜想、小組發言：實驗步驟如何？

學生自行設計實驗步驟，討論步驟的正確性與合理性，明確實驗操作應該有先后順序，不能隨意更改，無秩序地完成實驗可能導致嚴重的后果．

該實驗步驟如下：①組裝好實驗器材，在紙帶下夾上重物；②用手提住紙帶上端，使重物靠近打點計時器；③接通電源，釋放紙帶；④斷開電源，取下紙帶，進行數據處理．

探究5——揣摩、嘗試：實驗的數據如何呈現？如何處理與記錄？如何分析實驗結論？如何分析實驗誤差？

該環節注重培養、鍛煉學生分析和處理實驗數據的能力，重點引導學生掌握高中階段要求的幾種基本處理方法，如列表法、計算法、圖像法等．

學生處理紙帶時發現，重物下落h高度時，總有?葒Ek略小于?葒EP．實驗結論：在誤差允許的范圍內，系統機械能守恒．

學生思考后提出，引起實驗系統誤差的原因主要是重物和紙帶在下落過程中與空氣、打點計時器的振針、限位孔等的摩擦．選擇體積小質量大的重物，同時保證限位孔在同一豎直平面內等，可以有效地減少誤差．

探究6——反思：實驗可如何做進一步的改進？

根據本實驗原理及系統誤差來源分析，重物下落h高度時，總有

?葒Ek略小于?葒EP．在誤差允許的范圍內，該結論可證明機械能守恒定律成立．筆者當堂按照學生設計的步驟完成一次操作，將打出的紙帶交由學生處理，卻得出一個結果：?葒Ek>?葒EP．是什么原因造成的？筆者將問題拋給學生，引發新的討論：數據處理時出錯？實驗裝置出了問題？實驗步驟遺漏了什么細節？……

學生一一求證．重復多次計算，結果不變；檢查裝置，沒問題；再推敲步驟，順序等均沒錯．各小組再動手做實驗，有的小組這次竟也同樣得出了?葒Ek>?葒EP的結論．

學生們互相解說自己的實驗操作過程，細心回憶、對比兩次操作的不同，終于發現了問題：在放開紙帶時，手不小心的抖動而使重物下落具有初速度，在處理紙帶時卻默認了打下的第一個點是無速度的，因而使?葒Ek>?葒EP．

學生對實驗步驟進行了修改：用夾子固定紙帶上端，接通電源后再松開夾子．保證重物無初速下落．

經過該環節，學生認識到細節的重要性，享受到探究的樂趣，也提高了對物理的學習興趣．

探究7——課后實踐：利用本實驗的裝置，你還可以探究什么？（如測算當地重力加速度g等）

筆者通過猜想、小組討論、揣摩、嘗試、反思等行為設置7個探究環節，從實驗原理出發，一步一步引導學生探討出恰當的實驗方法，選出恰當的實驗器材，設計出合理的實驗步驟，得出實驗結論；更進一步引導學生思考新的實驗方法，發掘新的實驗器材，進行探究性的實驗教學．

責任編輯 羅峰