2018浅谈验证机械能守恒定律的两种方法

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浅谈验证机械能守恒定律的两种方法
验证机械能守恒定律是高中物理必修二第七章的第9节内容，如果物体系统内只有重力或弹力做功，物体的动能和势能可以相互转化，但总的机械能保持不变，叫做机械能守恒定律。而物体的动能和势能的代数和，就是物体系统的机械能。若要验证物体系统的机械能是否守恒，必须在满足守恒条件的前提下，比较动能和势能的相互转化关系或动能、势能的代数和。
　　一、验证机械能守恒的实验方案
　　方法一：落体法。实验仪器有铁架台，打点计时器，重锤，纸袋。
　　在平时的实验教学中，我们一般利用落体法来验证机械能守恒定律，方法简单易行。所用方法如图1所示，打出的纸带上某两点之间的距离就表示重物下落的高度h，重物重力势能的减少△Ep=mgh下落过程中初、末位置的瞬时速度v1、v2可由打出的纸带求出，动能的增加量为 方法二：摆球法。实验仪器有朗威DISLab数据采集器，光电门传感器，DISLab机械能守恒实验器，铁架台，计算机。DISLab具体的操作方法如下：
　　1.架设好DISLab机械能守恒实验器。如图2所示，将光电门传感器接入数据采集器。
　　2.将小摆球用磁铁夹吸住，固定在A点上方5～10cm处。
　　3.移动光电门传感器固定臂，使用测平器观察并调整光电门的透光孔正好在A点。
　　4.测量DISLab机械能守恒实验器摆锤的直径及其质量，将数据输入软件窗口下方的表格。
　　5.将磁铁夹固定在DISLab机械能守恒实验器的A点，依次将光电门固定在B、C、D点。
　　6.打开通用软件中的计算表格，点击自动记录中的开始，释放摆球，当摆球通过光电门传感器后，阻止摆球回摆，摆球通过光电门传感器的速度就显示在表格中。
　　7.变更光电门的位置，得出光电门传感器在B、C、D三点时的数据。
　　8.点击数据计算，得到摆球通过B、C、D各点时的动能、势能和机械能（如图3）。
　　9.由结果可见，摆球在4个点的机械能变化范围几乎很小，在误差范围内，可得出结论，在只有重力做功的情况下，机械能守恒，从而验证了机械能守恒定律。
　　二、DISLab实验与传统实验的对比
　　1.DISLab实验（摆球法）所占的优势有：
　　（1）从课堂效果来看，数字化实验耗时短，节省了大量的时间。
　　（2）从学生的角度上讲，DISLab实验有利于提高学生的实验素质和信息素养，通过实验可以在学生的脑海中形成直观、深刻的印象，将学生思维空间的抽象信号比较准确地展现在电脑屏幕上，可以从电脑显示器上直接看到摆锤的瞬时速率，形象直观。
　　（3）从教学方式方面上讲，教师可借助DISLab实验改变教学方式，激发学生兴趣。DISLab实验的实时性和直观性，让学生几乎可同时观察到实验结果，使学生体验到科学实验的真正情景，学生会异常兴奋，并感受到高科技时代的气息，增强探究科学问题的好奇心和动力。
　　（4）从培养学生各方面能力上讲，DISLab实验侧重于培养学生的实验探究能力，因为在DISLab实验中，基本的仪器就是某些固定的传感器、数据采集器、相应的软件和计算机，有利于学生掌握利用现代化信息技术，可以帮助学生提高学习兴趣，拓展学生的知识层面。
　　2.DISLab实验与传统实验相比，在某些方面也具有弊端：
　　（1）从学生的角度来讲，由于学习者本身的差异性，并不是每个学习者对DISLab实验的适应程度都相同。因为DISLab实验涉及综合性、技术性的知识较多，如非电学量的转换、信号的放大、信号的采集、模拟信号与数字信号之间的转换、软件的编制等，许多内容学生都比较生疏，容易分散学生的注意力。
　　（2）从DISLab实验自身来讲，数字化实验自动化程度较高，易使学生忽视实验的物理意义，而单纯地关注采集、处理实验数据。
　　（3）从数据处理方面来讲，由于DISLab实验的数据处理及其作图全部由计算机来完成，虽然简易、快捷，但是却不能训练学生处理纸带数据的能力、数学运算能力、作图能力。而这些能力恰恰是学生必须要具备的能力，在期中、期末考试，以及两年后的高考中，都要考查学生这些能力。
　　3.传统实验（落体法）也有它的优势：
　　传统实验重视培养学生正确的选择仪器和使用仪器的能力，侧重于培养学生细致、认真、耐心的观察习惯；从处理数据上来看，传统实验可以充分培养学生的计算能力、作图能力及利用数学知识解决物理问题的能力，而这些能力恰好是学生必须具备的能力。
　　4.传统实验（落体法）存在以下不足：
　　（1）由于电磁打点计时器与纸带之间存在摩擦，影响实验的精度。
　　（2）提纸带时手的抖动不能保证重锤在速度为零时开始计时。
　　（3）纸带上的点存在拖痕并且较粗，影响处理精度。
　　（4）如果在课堂教学中作为演示实验来处理的话，耗时长，并且实验误差大，勉强得出结论，学生不信服。
　　三、总结
　　从上面的两个实验来看，DISLab实验实现了信息技术和中学物理实验教学整合，可以充分挖掘学生的潜能，增强学生的自信心，提高学生对物理的学习兴趣，用于课堂演示实验效果非常好.但是也存在一定的弊端。
　　总而言之，DISLab实验与传统实验各有优势，当然也各有弊端。高中物理DISLab实验完全取代物理传统实验手段并不是可取的好方法，教师应根据教学实验内容的实际将两者有机地结合起来，在教学中取长补短，这才是一种理想的教学方式。只有将高中物理实验与传统物理实验配合使用，才能充分发挥各自的优势，以达到实验过程的优化处理，帮助学生成功完成实验，并能在实验过程中掌握到应有的知识，学到相应的技能，培养相应的能力。