科學合理外推驗證機械能守恒定律
——物理核心素養的滲透與培養

張寶龍

(安徽省宿州市碭山中學，安徽 宿州 235300)

在高中物理教材中,無論是哪個版本,驗證機械能守恒定律這個實驗都是比較重要的,也是作為培養學生物理知識與物理觀念的重要知識點,也是培養學生的物理核心素養的重要實驗．

質疑:只是說若在誤差允許的范圍內,可以驗證機械能守恒定律,但是有誤差,我們始終看不到真實的結果,這樣說是不是有些牽強,或者甚至可以說在誤差允許的范圍內,|ΔEp|<ΔEk,又怎樣能證明它是錯誤的呢?帶著這種質疑,筆者嘗試用另外一種方法,由伽利略落體實驗的合理外推想到了一種數學推導和科學實驗相結合方法,來驗證機械能守恒定律．具體做法如下.

1 理論假設

2 實驗器材

圖1

電火花計時器,交流電源,紙帶(墨粉紙盤),紙質重錘(自制),木質重錘(自制),鐵質重錘,導線,毫米刻度尺,鐵架臺(帶夾子),如圖1所示．

3 實驗過程設計

(1) 按圖2裝置固定好電火花計時器,并用導線將計時器接到220 V交流電源上．

(2) 將紙帶的一端固定在紙質重錘上,使另一端穿過計時器的限位孔,用手豎直提著紙帶,使紙質重錘靜止在靠近計時器的地方．

(3) 接通電源,松開紙帶,讓紙質重錘自由下落,計時器就在紙帶上打下一系列小點．

(4) 換幾條紙帶,重做上面的實驗．

(5) 從幾條打上了點的紙帶上挑選點跡清晰的紙帶進行測量．

(6) 在挑選出的紙帶上,先記下打第一個點的位置0,再任意選取幾個點1、2、3等,用刻度尺量出各點到0的距離h1、h2、h3．

(8) 如圖3 — 圖4所示，按照以上步驟分別用木質重錘、鐵質重錘進行實驗.實驗紙帶如圖5所示，實驗數據如表1所示．

圖2 圖3 圖4

圖5

4 實驗數據及數據處理方法： 重錘質量m不需要測量(T=0.02s)

表1

把這些數據用幾何畫板分別作在同一幅圖中進行比較，如圖6所示.

圖6

5 教學反思:

筆者看了很多資料,也嘗試了好幾種方法,剛開始筆者的設計是用光電門來測鐵球、鐵質重錘等經過光電門的時間,來求速度,但是中間時刻和中間位置的系統誤差始終困擾著筆者．我們只是說若在誤差允許的范圍內,可以驗證機械能守恒定律,但是有誤差,我們始終看不到真實的結果．這樣說是不是有些牽強,或者甚至可以說在誤差允許的范圍內,|Ep|