淺談驗證機械能守恒定律的兩種方法

摘 要：物理學是一門以實驗為基礎的學科，高中物理的教學更離不開實驗，介紹了傳統實驗和DISLab實驗這兩種方法來驗證機械能守恒，并從中比較這兩種方法的利弊。

關鍵詞：DISLab；機械能守恒；能量轉化

驗證機械能守恒定律是高中物理必修二第七章的第9節內容，如果物體系統內只有重力或彈力做功，物體的動能和勢能可以相互轉化，但總的機械能保持不變，叫做機械能守恒定律。而物體的動能和勢能的代數和，就是物體系統的機械能。若要驗證物體系統的機械能是否守恒，必須在滿足守恒條件的前提下，比較動能和勢能的相互轉化關系或動能、勢能的代數和。

一、驗證機械能守恒的實驗方案

方法一：落體法。實驗儀器有鐵架臺，打點計時器，重錘，紙袋。

在平時的實驗教學中，我們一般利用落體法來驗證機械能守恒定律，方法簡單易行。所用方法如圖1所示，打出的紙帶上某兩點之間的距離就表示重物下落的高度h，重物重力勢能的減少△Ep=mgh下落過程中初、末位置的瞬時速度v1、v2可由打出的紙帶求出，動能的增加量為 方法二：擺球法。實驗儀器有朗威DISLab數據采集器，光電門傳感器，DISLab機械能守恒實驗器，鐵架臺，計算機。DISLab具體的操作方法如下：

1.架設好DISLab機械能守恒實驗器。如圖2所示，將光電門傳感器接入數據采集器。

2.將小擺球用磁鐵夾吸住，固定在A點上方5～10cm處。

3.移動光電門傳感器固定臂，使用測平器觀察并調整光電門的透光孔正好在A點。

4.測量DISLab機械能守恒實驗器擺錘的直徑及其質量，將數據輸入軟件窗口下方的表格。

5.將磁鐵夾固定在DISLab機械能守恒實驗器的A點，依次將光電門固定在B、C、D點。

6.打開通用軟件中的“計算表格”，點擊“自動記錄”中的“開始”，釋放擺球，當擺球通過光電門傳感器后，阻止擺球回擺，擺球通過光電門傳感器的速度就顯示在表格中。

7.變更光電門的位置，得出光電門傳感器在B、C、D三點時的數據。

8.點擊“數據計算”，得到擺球通過B、C、D各點時的動能、勢能和機械能（如圖3）。

9.由結果可見，擺球在4個點的機械能變化范圍幾乎很小，在誤差范圍內，可得出結論，在只有重力做功的情況下，機械能守恒，從而驗證了機械能守恒定律。

二、DISLab實驗與傳統實驗的對比

1.DISLab實驗（擺球法）所占的優勢有：

（1）從課堂效果來看，數字化實驗耗時短，節省了大量的時間。

（2）從學生的角度上講，DISLab實驗有利于提高學生的實驗素質和信息素養，通過實驗可以在學生的腦海中形成直觀、深刻的印象，將學生思維空間的抽象信號比較準確地展現在電腦屏幕上，可以從電腦顯示器上直接看到擺錘的瞬時速率，形象直觀。

（3）從教學方式方面上講，教師可借助DISLab實驗改變教學方式，激發學生興趣。DISLab實驗的實時性和直觀性，讓學生幾乎可同時觀察到實驗結果，使學生體驗到科學實驗的真正情景，學生會異常興奮，并感受到高科技時代的氣息，增強探究科學問題的好奇心和動力。

（4）從培養學生各方面能力上講，DISLab實驗側重于培養學生的實驗探究能力，因為在DISLab實驗中，基本的儀器就是某些固定的傳感器、數據采集器、相應的軟件和計算機，有利于學生掌握利用現代化信息技術，可以幫助學生提高學習興趣，拓展學生的知識層面。

2.DISLab實驗與傳統實驗相比，在某些方面也具有弊端：

（1）從學生的角度來講，由于學習者本身的差異性，并不是每個學習者對DISLab實驗的適應程度都相同。因為DISLab實驗涉及綜合性、技術性的知識較多，如非電學量的轉換、信號的放大、信號的采集、模擬信號與數字信號之間的轉換、軟件的編制等，許多內容學生都比較生疏，容易分散學生的注意力。

（2）從DISLab實驗自身來講，數字化實驗自動化程度較高，易使學生忽視實驗的物理意義，而單純地關注采集、處理實驗數據。

（3）從數據處理方面來講，由于DISLab實驗的數據處理及其作圖全部由計算機來完成，雖然簡易、快捷，但是卻不能訓練學生處理紙帶數據的能力、數學運算能力、作圖能力。而這些能力恰恰是學生必須要具備的能力，在期中、期末考試，以及兩年后的高考中，都要考查學生這些能力。

3.傳統實驗（落體法）也有它的優勢：

傳統實驗重視培養學生正確的選擇儀器和使用儀器的能力，側重于培養學生細致、認真、耐心的觀察習慣；從處理數據上來看，傳統實驗可以充分培養學生的計算能力、作圖能力及利用數學知識解決物理問題的能力，而這些能力恰好是學生必須具備的能力。

4.傳統實驗（落體法）存在以下不足：

（1）由于電磁打點計時器與紙帶之間存在摩擦，影響實驗的精度。

（2）提紙帶時手的抖動不能保證重錘在速度為零時開始計時。

（3）紙帶上的點存在拖痕并且較粗，影響處理精度。

（4）如果在課堂教學中作為演示實驗來處理的話，耗時長，并且實驗誤差大，勉強得出結論，學生不信服。

三、總結

從上面的兩個實驗來看，DISLab實驗實現了信息技術和中學物理實驗教學整合，可以充分挖掘學生的潛能，增強學生的自信心，提高學生對物理的學習興趣，用于課堂演示實驗效果非常好.但是也存在一定的弊端。

總而言之，DISLab實驗與傳統實驗各有優勢，當然也各有弊端。高中物理DISLab實驗完全取代物理傳統實驗手段并不是可取的好方法，教師應根據教學實驗內容的實際將兩者有機地結合起來，在教學中取長補短，這才是一種理想的教學方式。只有將高中物理實驗與傳統物理實驗配合使用，才能充分發揮各自的優勢，以達到實驗過程的優化處理，幫助學生成功完成實驗，并能在實驗過程中掌握到應有的知識，學到相應的技能，培養相應的能力。

作者簡介：段小慶，女，1986年2月出生，本科，就職于寧夏回族自治區育才中學，研究方向：物理教學。