一道“驗證機械能守恒定律”實驗題引發的教學思考

陳沛鋒

（廣東省佛山市順德區北滘鎮北滘中學）

驗證機械能守恒定律是高中物理的一個重要實驗，它幫助學生理解機械能守恒定律的同時，很好地考查了學生對高中物理力學實驗的綜合理解能力，是物理高考實驗命題的熱點之一。本人通過批改一道“驗證機械能守恒定律”實驗題中發現的問題，對本實驗的教學提出一些建議，以期促進教學效果的提升。

試題：如圖，利用重物自由下落驗證機械能守恒定律的實驗裝置。

（1）在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，沒有必要進行的操作是 （ ）

A.用天平測重物的質量

B.用秒表測重物下落的時間

C.用打點計時器記錄重物下落的信息

D.用紙帶記錄重物下落的高度

（2）在實驗過程中，為了減小誤差，重物應該選質量_____的重錘（選填“較大”或者“較小”）其主要原因是_____；紙帶打點時，應在釋放紙帶____（選填“之前”或“之后”）接通打點計時器的電源。

（3）該實驗所用打點計時器的電源頻率為50 Hz，紙帶如圖。A、B、C為紙帶中選取的三個計數點，每兩個計數點之間還有4個點未畫出，則每兩個計數點之間的時間間隔T＝_____s，打點計時器在打下計數點B時，物體的下落速度為vB＝_____m/s（保留三位有效數字）。

（4）由于該實驗中存在阻力做功，所以實驗測得的重物的重力勢能的減少量____（選填“大于”、“小于”或“等于”）動能的增加量。

本題從實驗原理、數據處理和實驗誤差分析等方面對學生進行了考查，從試題批改的情況來看，學生答題主要存在以下幾個主要問題：

1.對實驗原理理解不到位。如要測量的物理量，操作的先后順序等。

2.沒有掌握實驗數據處理的方法。在判斷兩個計數點的時間間隔時，答了0.02 s、0.08 s或者1 s等。打下計數點B的速度算出了 0.196 m/s、9.8 m/s等。

3.對實驗誤差來源不理解。學生選擇了“較小”的重物，重物重力勢能的減少量應“小于”或“等于”動能的增加量。

4.沒有按題目要求，表述不規范。有些學生選填了“前”而不是“之前”等，結果沒有保留三位有效數字。

為解決這些典型的答題錯誤問題，在本實驗的教學上，我覺得要明確以下幾個教學內容。

1.熟悉打點計時器的工作原理。如果打點計時器使用頻率為50 Hz的交流電源，則每個計時點的時間間隔是0.02 s，如取每5個點作為一個計數點，則每兩個計數點的時間間隔是0.1 s。打點計時器記錄物體運動時間和位移的儀器，實驗中不需要再單獨用秒表來測量運動時間。實驗時如要求第一個計時點速度為零，就應該遵守“先接通打點計時器電源，再釋放紙帶”的操作。

2.重點理解實驗原理，了解誤差來源。機械能守恒定律的一種理解是，物體在只有重力（或系統內彈力）做功的情況下，勢能的變化量等于動能的變化量。用物體做自由落體運動的模型來驗證機械能守恒定律，就是看看在只有重力做正功的情況下，物體重力勢能的減少量是否等于其動能的增加量，因式子兩邊均有質量，可以用含有共同符號m的結果對比，故實驗過程中不需要用天平測量重物的質量。這就是本實驗的實驗原理。實驗過程中的阻力是不可避免的，所以阻力做負功會損失一定的機械能，物體實際下落過程中，其重力勢能的減少量會略大于動能的增加量。為了使物體的運動盡量接近自由落體運動，我們的重物應該選擇密度、質量都較大的物體，目的是讓物體在下落過程中受到的阻力與重力相當，可以忽略，盡量減小阻力做負功對機械能損失的影響，減小實驗誤差。這些都是理解此實驗原理的關鍵點，在教學過程中必須向學生明確說明，降低做題過程中錯誤率。

3.對記錄做勻變速直線運動信息的紙帶數據處理，是高中物理力學實驗的核心內容。數據處理主要有兩個方面：計算物體運動的加速度和運動到某時刻的瞬時速度。物體運動加速度的計算用到勻變速直線運動一個重要結論：相鄰相等時間間隔的兩段位移之差△S，等于物體運動加速度與時間間隔的平方的乘積aT2，或者用逐差法來求解。計算某點的瞬時速度問題，利用勻變速直線運動中某段過程的平均速度與其中間時刻的瞬時速度相等原理來求解。在這兩個問題的計算上，學生很容易在時間處理、單位換算、計算準確以及結果表達要求等問題上犯錯。

4.重視表述的規范

答題時的用詞要規范，特別是要選填的問題，該選填“之前”的就不能簡單填一個字“前”。還有，計算結果要求“保留幾位有效數字”和“保留小數點后幾位數字”的區別等。

物理學是一門嚴謹的學科，要想學好，必須重視對知識點的理解。而且，物理知識點間的聯系非常密切，知識網絡性很強，一道物理題基本上是幾個知識點的綜合，這就要求教師在授課過程中要加強對知識的整合，讓學生更好地掌握，本題就是一個典型。同時，在教學過程中要多通過對答題情況的分析，制訂有針對性的教學策略，達到提升教學成績的效果。

肖程碑.驗證機械能守恒定律.實驗的評析.成都教育學院學報，2000（08）.