鄭 康　陸建隆

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院　江蘇 南京　210097)

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驗證機械能守恒定律的實驗改進(jìn)

鄭 康陸建?、?/p>

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)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(shè)計擺球法方案進(jìn)行實驗改進(jìn)，得出實驗結(jié)果誤差在1%以內(nèi)，并將DIS實驗方法與傳統(tǒng)實驗方法相比較，總結(jié)其存在的優(yōu)勢.

機械能守恒定律擺球法DIS實驗教學(xué)

1　引言

驗證機械能守恒定律是高中物理中重要的實驗內(nèi)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(jié)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(fā)現(xiàn)結(jié)果存在較大誤差.本文利用DIS實驗系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計擺球法，當(dāng)忽略空氣阻力時，驗證小球在豎直平面內(nèi)自由擺動時機械能守恒，實驗誤差在1%以內(nèi).

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(shù)點選擇不好及紙帶放置方法不正確產(chǎn)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(jìn)后的實驗裝置示意圖

3　實驗改進(jìn)

為了改進(jìn)實驗效果，采用DIS系統(tǒng)設(shè)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(xì)線，米尺.

3.2實驗原理

把一個擺球用細(xì)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(fā)生相互轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)分析

(1)打開計算機進(jìn)入DIS系統(tǒng)，放置好鐵架臺，將擺球用一定長的細(xì)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(diào)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(fā)射端和接收端的連線.將光電門傳感器接入數(shù)據(jù)采集器的第一通道.

(2)將擺球從A點釋放，當(dāng)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(fù)做6次，記錄數(shù)據(jù)，算出平均時間t.

(3)移動光電門傳感器，調(diào)整光電門傳感器使其分別位于C點、D點，重復(fù)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(shù)據(jù)如表1所示.

表1　擺球在4個點的相關(guān)數(shù)據(jù)

*表格中m表示物體質(zhì)量.

4　總結(jié)

相比于教材中驗證機械能守恒定律的方法，用DIS系統(tǒng)進(jìn)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(tǒng)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(shù)據(jù)，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(tǒng)功能強大、應(yīng)用范圍廣、測量精度高、數(shù)據(jù)處理快速準(zhǔn)確、操作便捷，學(xué)生可以運用DIS系統(tǒng)將具體的學(xué)科知識和實踐操作相結(jié)合，增強設(shè)計實驗方案、動手操作、觀察思考以及分析處理數(shù)據(jù)的能力，同時數(shù)字化實驗工具的運用也改善了教學(xué)環(huán)境，增強了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣.因而在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，教師不妨多思考是否能夠運用如DIS系統(tǒng)的數(shù)字化工具進(jìn)行實驗的改進(jìn)與創(chuàng)新，以期促進(jìn)我們的實驗教學(xué).

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

2016-02-15)