数字化实验验证机械能守恒定律数字化实验验证机械能守恒

数字化实验验证机械能守恒定律杭州第四中学王凯摘要：验证机械能守恒定律实验是高中物理教学中的一个很重要的演示实验和学生实验，传统实验可采集数据少、数据处理复杂且直观性差，不利于学生加深对“能的转化”和“守恒”的理解。现在利用传感器和计算机相配合，发挥数字化实验的优势，可以顺利、直观、迅速地解决上述问题，更好地展示物理魅力！关键词：数字化实验相互转化验证机械能守恒一、背景机械能是自然界中普遍存在的一类能量，包括动能和势能（包括重力势能和弹性势能），在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能与势能可以相互转化，而总的机械能保持不变。在高中的机械能守恒定律教学中，如何让学生“看”到这样美妙的“守恒”是教学的一个重点也是一个难点，“机械能守恒”需要通过更直观的实验加以实现。在传统教学中，一般会用重锤做自由落体实验，用打点计时器和纸带记录下落高度和时间信息，得出重力势能的变化情况；再通过对纸带分析计算出物体的速度，从而得出动能的变化情况，最后比较重力势能改变量和动能改变量来验证机械能守恒。这种方法操作虽然看似比较简单，但是后期数据的计算量比较大，且只能反映某些点上的机械能情况，不能实时反映机械能的动态守恒特性，更致命的是这个实验只能验证机械能守恒当中最简单的一类——“动能和重力势能的总和守恒”。而机械能当中的势能除重力势能外还包括弹性势能（主要指弹簧的弹性势能），所以机械能的守恒不仅仅是重力势能和动能相互转化过程中可以守恒，还应该包括动能和弹性势能两者之间的系统机械能守恒，更应该包括动能、重力势能以及弹性势能三者之间的系统机械能守恒。在传统教学实验中，由于弹簧弹性势能和动能以及重力势能转化过程中，弹簧弹性势能大小测定困难，这就造成后面的两种机械能守恒实验无法向学生展示！近些年，随着新一轮高中课程改革的实施和深入，教学中配备了数字化实验设备，利用传感器和计算机技术，可以实现物理量的实时检测，从而帮助学生“看”到物理规律，对规律有一个更为深刻透彻的认识，此外利用计算机强大的数据处理能力，把人从繁琐的数据处理中解脱出来，从而有更多的精力投入到新的探究活动中！笔者自行设计了以下几个数字化实验，能实时反映机械能的动态守恒，还能把涉及弹簧弹性势能的系统机械能守恒问题加以展现！二、验证实验方案本文中介绍的实验均采用威尼尔数字化实验室设备。1、验证动能和重力势能相互转化过程中的机械能守恒以测量篮球在竖直上抛过程中位移时间关系为模型，利用传感器自动收集，电脑高速运算获得动能、势能数据，从而发现篮球在整个过程中机械能守恒。实验器材：一个威尼尔运动传感器和一篮球实验步骤：艺（1克）先布将电墓脑、扇数据烤采集砍器和面运动都传感友器连疮接好呆（2粮）打膊开控议制软听件,帆设置但传感辛器螺采样勤频率埋及采准样时型间特（3用）将受篮球置置于铃运动凉传感悉器上追方（塘注意披避开敲传感勿器盲虚区耻，即舱高出中感应伶区负13裕厘米汽）服（4拥）按酒采集挪按钮腔，听炎到冒“健嘀嘀亦嘀取”百的采翅集声串后再由竖直警向上盯方抛纹出篮狸球励（篮谷球不锅必抛轧得过者高）旬（5盘）利族用威掉尼尔摩提供略的软松件中奉“炊数据元”群列表冈—“技新计蜻算栏汪”渴处理欲数据和（也室可利倾用E架xc峡el亏处理园数据睁）蝶（6粉）结绒果分昨析存(如叉下图祝)狡威尼夹尔运令动传珠感器终可以莫直接堪测出照研究激对象伐的位财移（秃即本银实验柔中的秀高度逼）、锦速度膏以及美加速蝇度随披时间忙变化后图像新和数泪据，党通过亿软件纹提供况的数食据处井理功录能称可以青分别匠计算详出相舍应的栽重力样势能颜（以泪传感絮器的谜信号阁接收铲面为茶零势息能参谜考平同面）丽、动无能以兰及机控械能蠢。热“伪高度顾——培时间海”赵图咳疫盏明傍反扎液湾蝴“将速度申——佛时间贫”部图均印不篮球仆上抛竭近似嘴于竖俘直上嗓抛运敬动，成其高弃度随味时间怪变化喘关系经为坏，图职像是税开口肃向下阔的二钓次函魂数抛伸物线恢；速教度随难时间犬变化蛙关系遍为似，图驾像是祖斜率炒为负美的一禁次函兆数斜易线晕。喘“闭重力撕势能湾——腥时间取”习图观“墓动能规——沉时间娇”翼图优篮球岸上抛锡过程朽中高众度随杜时间康变化绒关系篮图像影是开板口向疤下的差二次是函数宗抛物亿线，羡则其复重力厌势能删随时侨间变逢化关自系为狡，也旁是一剪抛物方线；即篮球僵动能肿随时宋间变身化关乏系为永，图办像是痕开口曲向上境的二替次函清数抛堪物线押线。偶“来机械眨能五——艺时间胆”锡图埋篮球艇的动艳能和炕重力注势能杯之和僚——前机械核能速在抛拣出至达下落史过程肝中特几乎适保持缩不变众，说飞明该绍过程许机械吗能守言恒！时2、透验证锈动能漂、滨重力择势能凭以及导弹簧梯弹性揭势能畅三者点相互让转化款过程秋中的显系统幅机械脏能守弯恒巷该实检验的抄难点赌在于难计算热实时南的弹舌性势渡能大玉小，黄利用犯弹簧糖弹性补势能盐计算仅式渠直接介计算源弹性健势能顶实验雁器材晕：郊一个艺威尼阴尔运坛动传备感器健、轻制弹簧领、钩蜓码和追铁架脖台竖实验陵步骤如：驰（1慎）先我将电港脑、分数据歪采集穷器和厉运动棋传感只器连刘接好肃（如迫右图拣）处，注式意将弯钩码自挂在辽弹簧衔上方冬，静涉止时践高出粒运动宫传感辣器感良应区葡13个厘米棉之上防以避粱开传婚感器简盲区怖（2涝）打目开控织制软终件,夫设置香传感谱器采吼样频敞率及枯采样榨时间都（3申）将锄钩码舰从拜弹簧娱原长算时释神放拼（4新）按贱采集累按钮鼠，焰采集贴钩码熄的高才度、发速度斜随时枪间变胖化关肉系肌（5泊）利混用威鸟尼尔迹提供似的软委件中扁“晌数据济”贺列表演—“达新计甘算栏丝”沿处理方数据其（也各可利五用E隶xc薪el倚处理团数据束）恳,计前算得刺到相缩应得签重力北势能般、动捆能、誓弹性担势能返和机充械能耗（6余）结修果分药析(极如下圈图)听“因重力搁势能饱——珠时间纸”推图像耐蓬碌“暂动能趁——拴时间阵”壤图像患“蜓弹性运势能券——灰时间网”岸图像燕“放机械判能觉——世时间恋”期图像动能动能重力势能弹性势能机械能偿综合紫图像逼三、曾总结强上述封实验央操作田简单死，现搏象直客观，求能帮仅助务学生孝轻松伶地量“拉看掩”个到的“宣机械券能守午恒犯”球这一黑自然盟界的直最基讽本规搅律，置从而鞋激发参学生参对物如理学胆科的判兴趣坦和探窃究自鄙然规陆律的歪欲望田，提质高课木堂学貌习效贿率，痕帮助套学生腹更深谎入的队体会悄到胁“胶守恒宋”湾的魅艺力。血但是激在实踩验开肺发眠过程歉中，裳受自作身实薄验设啦计水醋平和塌实验控室条叶件影粒响，课本人堪也留杂下了萍较大睡的遗老憾：谣危1、买根据努机械掌能守译恒的固条件亏，当匆只有奔弹簧泉弹力尾对诚物体或做功驳时，唱弹簧畅弹性湿势能图和裂物体吩动能忆之间愿可以杯相互犁转化肢，由苦弹簧糕和物吨体构钩成的警系统禁中机槐械能箩也弊守恒描。画但是鼻本人员在喘验证蓬此类伸机械戚能守糕恒实衣验过蛇程镇中碰妈到仪下列坡问题粒：禁由于沉只涉鞭及弹荡簧弹闷性势涨能与努物体谣动能战之间妇的转翁化，汉而竖燃直方雁向的捕运动令又愧肯定婆将涉厌及重油力做原功比，重健力做旷功势狗必涉烧及鸣重力绝势能胖和动晋能、季弹簧胶弹性盐势能宗的帮相互节转化个，所旁以允物体谦必须攀在水捆平方龄向运司动申，别才能肆不涉热及重抗力势乔能攻；撕物体结水平屑方向扯运动爷受到直接触财面摩滴擦力购的影匙响较秃大，读本人奶试图伞通过工研究残气垫绍导轨益上信的物暮体，铸以解纽决摩圈擦力核影响糖问题慨，此钥时却游发现蓬传感观无法攻有效悟固定料，以衰致数喉据很捉难测鹿量欣;塔实验谅中竹为了桂不计裳弹簧愤动能贸（因卷为弹澡簧动阀能没狸法测赶量）邻，所骡以走弹簧硬必北须是烘轻质劈弹簧慧，您但水榆平方胸向固圈定的辉弹簧呆受自敬身重捉力影撇响还按是较买大。旨本实鸣验弹乏簧弹沉性势毕能和阶物体铃动能分相互恩转化紫过程锁中涉匆及到靠弹簧盈的压运缩和拥拉伸谱，而办实验胞所用耍的弹捧簧一玩般都赢是拉炊伸弹肝簧，暴在恢语复原冰长后快无法享被压隆缩，洋弹簧喝内部哈发生柳非弹违性抖形变流，此平时辱不符皆合机晕械能垂守恒网条件聚；土由于颗上述火条件伙限制独，本俩人目梨前未特能解法决这脑一类赵机械密能守碍恒的产验证仁方案绢2、傻在验裙证重高力势丛能、毕弹簧兄弹性垄势能堆和动摩能三陈者之缓间相度互转逃化实锐验中老，弹零簧弹坐性势麦能的浅计算职用到苏了弹箱簧弹丝性势吴能计枪算式绍，这