驗證機械能守恒定律的實驗改進

鄭 康　陸建隆

(南京師范大學教師教育學院　江蘇 南京　210097)

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驗證機械能守恒定律的實驗改進

鄭 康陸建?、?/p>

(南京師范大學教師教育學院江蘇 南京210097)

在驗證機械能守恒定律實驗中，針對人教版教材中實驗方法存在的較大誤差提出利用DIS設計擺球法方案進行實驗改進，得出實驗結果誤差在1%以內，并將DIS實驗方法與傳統實驗方法相比較，總結其存在的優勢.

機械能守恒定律擺球法DIS實驗教學

1　引言

驗證機械能守恒定律是高中物理中重要的實驗內容，通常只要測出物體在豎直方向上下落的高度和速度的大小，即可驗證機械能守恒定律.在人教版高中物理“實驗：驗證機械能守恒定律”一節中，通過讓物體做自由落體運動，采用紙帶法驗證機械能守恒定律，但筆者通過實驗發現結果存在較大誤差.本文利用DIS實驗系統創新設計擺球法，當忽略空氣阻力時，驗證小球在豎直平面內自由擺動時機械能守恒，實驗誤差在1%以內.

2　原實驗方案

實驗過程簡單易操作，但存在較大的誤差：(1)重物和紙帶在下落過程中要克服各種阻力做功，除了空氣阻力之外，紙帶和打點計時器之間還存在著一定的摩擦.(2)紙帶上的點存在拖痕，在取點和測量時影響實驗精度.(3)計數點選擇不好及紙帶放置方法不正確產生的摩擦也會造成實驗誤差.

圖1　教材中驗證機械能守恒的實驗裝置示意圖

圖2　改進后的實驗裝置示意圖

3　實驗改進

為了改進實驗效果，采用DIS系統設計擺球法驗證機械能守恒定律.實驗裝置示意圖如圖2所示.

3.1實驗器材

計算機，朗威DIS，光電門傳感器，鐵架臺，天平，千分尺，擺球，細線，米尺.

3.2實驗原理

把一個擺球用細線懸掛起來并拉到一定的高度，然后放開，擺球在擺動過程中，動能和勢能發生相互轉化，如果忽略空氣阻力的影響，則只有重力對其做功，所以機械能守恒.

本實驗中，選取地面為零勢能點.從A點(h=0.70m)釋放擺球，選定擺動過程中高度h不同的B(h=0.53m)、C(h=0.42m)、D(h=0.28m)點，先后在每一點處放置光電門傳感器，使擺球恰好穿過.在每一點處擺動6次，測出6個時間值t1，t2，t3，t4，t5，t6，取平均值t以減小誤差.

E=mgh+0.5mv2

比較4點處機械能的大小.

3.3實驗過程與數據分析

(1)打開計算機進入DIS系統，放置好鐵架臺，將擺球用一定長的細線系在鐵架臺上.用另一只鐵架臺把光電門傳感器固定在B處，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B點，使得此時擺球的直徑穿過光電門傳感器的發射端和接收端的連線.將光電門傳感器接入數據采集器的第一通道.

(2)將擺球從A點釋放，當擺球通過光電門傳感器后，阻止擺球擺動，記錄下擺球通過光電門傳感器的時間，重復做6次，記錄數據，算出平均時間t.

(3)移動光電門傳感器，調整光電門傳感器使其分別位于C點、D點，重復步驟2.

(4)分別計算擺球在A,B,C,D 4點的勢能、動能和機械能.

得到實驗數據如表1所示.

表1　擺球在4個點的相關數據

*表格中m表示物體質量.

4　總結

相比于教材中驗證機械能守恒定律的方法，用DIS系統進行實驗有效避免了采用紙帶法所帶來的與打點計時器之間的摩擦，同時DIS系統中的光電門傳感器可以精確測量微小的時間，并可靈活添加公式計算出速度、動能等物理量.運用計算機軟件處理數據，同時也省去了紙帶法中繁雜的描點、計算和作圖等過程，實驗效率有所提高.另外，DIS實驗系統功能強大、應用范圍廣、測量精度高、數據處理快速準確、操作便捷，學生可以運用DIS系統將具體的學科知識和實踐操作相結合，增強設計實驗方案、動手操作、觀察思考以及分析處理數據的能力，同時數字化實驗工具的運用也改善了教學環境，增強了學生學習的興趣.因而在傳統的實驗教學中，教師不妨多思考是否能夠運用如DIS系統的數字化工具進行實驗的改進與創新，以期促進我們的實驗教學.

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

2016-02-15)