DIS實驗驗證機械能守恒定律
——采用通用軟件進行創新與改進

陳蕾卉 劉愛云 涂 泓

(上海師范大學數理學院 上海 200234)

1 引言

機械能守恒定律是運動學中的基本定律，同時也是中學物理課程學習的重點內容.它反映了在只有重力或彈力做功的物體系統內，物體系統的動能和勢能之間可以發生相互轉化，但機械能的總能量保持不變這一理論.在傳統的驗證機械能守恒定律的DIS實驗中，通常采用專用軟件進行測量，初速度為零是給定的默認實驗條件，并不是實際測量出來的.在實際實驗中，有可能由于初始釋放的位置、人手釋放的不確定性等因素，導致其實驗結果與初速度為零的實驗計算結果相差較大.并且，這種初速度及實驗表格都提前為學生預備好的做法，并不能鍛煉學生的物理科學思維、創造力及思辨能力.本文采用通用軟件的測量方式來進行實驗，讓學生自行設計實驗表格，并改進了關于初速度的測量方式.因此，本文中的以通用軟件來進行實驗相較于傳統的使用專用軟件來說，更加準確和全面[1,2].

2 實驗裝置簡介

實驗器材：朗威DISLab數據采集器、計算機、朗威光電門傳感器、擺錘、細線、鐵架臺、帶刻度的高度板.

實驗裝置如圖1所示.其中光電門傳感器固定在帶刻度的高度板上，接入數據采集器中，當擺錘經過光電門傳感器時，光電門傳感器會實時記錄擺錘經過光電門傳感器的時間，計算出此時擺錘的速度[3].

圖1 實驗裝置

3 實驗原理

把一個擺錘由細線懸掛起來，并拉到一定高度.當擺錘由靜止開始釋放時，如果忽略空氣阻力，此時擺錘只受到繩子給的拉力和本身所受的重力.根據擺錘的運動狀態及受力分析，繩子給擺錘的拉力不做功，此時系統中只有重力做功，動能和勢能之間可以相互轉化，符合機械能守恒定律的條件[4].

根據機械能的定義可知，無論勢能和動能如何變化，兩者之和都等于機械能.則將擺錘經過A,B,C,D4點的動能值和勢能值分別對應相加，如果得到的4個機械能值，在誤差允許的范圍以內基本一致，則可以證明機械能守恒定律成立.

4 實驗過程及實驗結果

(1)進入朗威通用軟件，設計表格如表1所示.

表1 驗證機械能守恒定律設計表格

(2)測量擺錘直徑s及其質量m，以及高度板上P,Q,R點的高度(假定D點高度為零，D點所在水平面為零勢能面)，填寫到表格中.

(3)利用測平器精準完成實驗裝置定位，將擺錘釋放裝置固定到實驗器上的P點，光電門的擋光孔固定在實驗器的A點上.

(4)點擊“開始”，在P點釋放擺錘，擺錘通過光電門傳感器的時間將被記錄在表格中，通過公式計算出擺錘通過A點的速度.

(5)調整光電門位置分別到B,C,D3點，重復上述實驗步驟，測得擺錘在3點通過光電門傳感器的時間，通過公式計算出擺錘通過B,C,D3點的速度.

(6)根據公式計算出A,B,C,D4點上的動能和重力勢能，進而求出A,B,C,D這4點上各自的機械能值，得到結果如表2所示.

表2 以P點為初始釋放點，驗證機械能守恒定律的測量數據

(7)再利用測平器，將擺錘釋放裝置分別固定在Q和R點，重復上述實驗，得到結果如表3、4所示.

表3 以Q點為初始釋放點，驗證機械能守恒定律的測量數據

表4 以R點為初始釋放點，驗證機械能守恒定律的測量數據

(8)將3組數據匯總，繪制成表格如表5所示.

表5 匯總P,Q,R 3點的測量數據

(9)將表5的數據進行對比，繪制成折線統計圖，如圖2所示.

圖2 P,Q,R 3點的能值變化

5 專用軟件的實驗步驟

(1)測量實驗擺錘的直徑s及其質量m，記錄數據.

(2)利用擺錘釋放裝置在A點靜止釋放擺錘，分別將光電門傳感器固定在測量點D,C,B，測量D,B,C3點上擺錘通過光電門傳感器的速度.

(3)通過“數據計算”功能，得到擺錘在A,B,C,D點的動能、勢能和機械能值，如圖3所示.

圖3 專用軟件驗證機械能守恒定律的測量數據

6 專用軟件與通用軟件的對比 改進原因及優勢

6.1 兩種實驗結果分析

由上述實驗表格可知，利用通用軟件進行實驗測量，其實驗數據匯總圖像較為平穩，各實驗數據結果均在朗威實驗儀器的誤差允許范圍以內，結果較為準確.

從數據可以看出，利用專用軟件進行測量，采用初速度為零的實驗條件，則其他實驗結果很容易與給定初速度的實驗計算結果出現偏差，造成誤差過大的情況.

6.2 專用軟件與通用軟件的實驗步驟對比

專用軟件采用的實驗方式是將A點作為起始點，并將A點速度為零作為默認的已知條件，直接填寫在表格中.之后分別將光電門傳感器放在B,C,D3點，測量出擺錘在B,C,D3點的瞬時速度，以此計算出擺錘在A,B,C,D4點的動能、勢能、機械能之間的關系，從而驗證機械能守恒定律.

本文中所采用的使用通用軟件設計實驗表格的測量方法，與原始實驗方式的不同點在于：將初始點分別改變為垂直高度高于A點的P,Q,R3點，且分別在此3點處釋放，使得擺錘在A點的瞬時速度是可被測量的.之后，再分別測量出擺錘在A,B,C,D4點的速度，以此計算4點動能、勢能、機械能之間的關系.

6.3 改進原因及優勢

綜上所述，兩種實驗方式主要的不同點在于：測量軟件的選擇、初始位置點的選擇以及實驗表格的使用上.

在通用軟件中，如果仍然照搬專用軟件的實驗步驟，將光電門傳感器固定在A點，將擺錘由A點靜止釋放，則需要光電門傳感器測量出擺錘在A點速度為零的實驗結果，此點的數據才有意義.但是由于光電門傳感器的工作原理，速度為零的物體實際上并不能引起光電門傳感器進行工作.如果想引起光電門傳感器工作，則必須存在擺錘經過光電門的時間，通過計算擺錘的寬度與擺錘經過光電門的時間，得出擺錘經過此點的速度值，而此速度值并不符合實驗假定的初速度為零這一條件，也同樣不能作為A點速度的計算用值.所以，擺錘在A點速度為零這一數值是不能被測量出來的.

根據通用軟件的工作原理，使得測量時并不能直接設定初始速度值為零.而舍棄測量擺錘在A點的瞬時速度會使得實驗數據較少，并不符合物理實驗的嚴謹性.因此，在選擇通用軟件進行試驗時，我們要進行實驗改進，重新選擇實驗初始點的位置，挑選高于A點的位置作為釋放點，并且挑選P,Q,R3點進行多次實驗，保證了實驗的準確性和嚴謹性.

同時，指導學生采用通用軟件進行測量，并要求學生自行設計實驗表格的做法，符合物理的學科特點.標準的實驗過程應該是：在實驗前，指導學生選擇合適的實驗器材，設計實驗方案；在實驗過程中，學生對實驗現象進行觀察和記錄，對數據進行測量和讀數；實驗結束后，學生自主對數據進行處理和分析，并進行反思與評估.

實驗過程是一種培養學生綜合能力的過程，是對學生進行創新意識和能力培養的有效途徑.實驗并不是一帆風順，有可能出現各種問題和情況，它要求教師不僅要講授學科基礎知識，還要培養學生嚴謹的科學態度和完備的科學思維.因此，單純采用實驗過程簡單，實驗操作單一，實驗表格直接給定的專用軟件來進行物理教學，并不能達到物理實驗的學科要求.

本文采用的實驗方式可以省略需測量A點速度為零的實驗步驟，使得在實驗中每一個觀察點的測量值都是可以被真實地測量到的，保證了實驗結果的嚴謹性和準確性[5].

7 結束語

通過以上實驗結果可知，運用的通用軟件實驗方法可以成功驗證機械能守恒定律，其實驗過程力求減少實驗誤差，實驗結果真實可靠，均在物理實驗所要求的實驗誤差范圍以內.將傳統的專用軟件實驗方法和通用軟件實驗方法進行比較分析，可以說明本文運用實驗方法的嚴謹性和全面性，使實驗結果更具有說服力[6].對于相同的實驗目的，實驗方法往往有幾種，而從中選出最優實驗方法，是實驗教學的重要內容.