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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：（1）先将电脑、数据采集器和运动传感器连接好（2）打开控制软件,设置传感器采样频率及采样时间（3）将篮球置于运动传感器上方（注意避开传感器盲区，即高出感应区13厘米）（4）按采集按钮，听到“嘀嘀嘀”的采集声后再竖直向上方抛出篮球（篮球不必抛得过高）（5）利用威尼尔提供的软件中“数据”列表—“新计算栏”处理数据（也可利用Excel处理数据）（6）结果分析(如下图)威尼尔运动传感器可以直接测出研究对象的位移（即本实验中的高度）、速度以及加速度随时间变化图像和数据，通过软件提供的数据处理功能可以分别计算出相应的重力势能（以传感器的信号接收面为零势能参考平面）、动能以及机械能。“高度——时间”图“速度——时间”图篮球上抛近似于竖直上抛运动，其高度随时间变化关系为2021gttvh，图像是开口向下的二次函数抛物线；速度随时间变化关系为gtvv0，图像是斜率为负的一次函数斜线。“重力势能——时间”图“动能——时间”图篮球上抛过程中高度随时间变化关系图像是开口向下的二次函数抛物线，则其重力势能随时间变化关系为)21(20gttvmgmghEp，也是一抛物线；篮球动能随时间变化关系为202)(2121gtvmmvEk，图像是开口向上的二次函数抛物线线。“机械能——时间”图篮球的动能和重力势能之和——机械能在抛出至下落过程中几乎保持不变，说明该过程机械能守恒！2、验证动能、重力势能以及弹簧弹性势能三者相互转化过程中的系统机械能守恒该实验的难点在于计算实时的弹性势能大小，利用弹簧弹性势能计算式221kxEp直接计算弹性势能实验器材：一个威尼尔运动传感器、轻弹簧、钩码和铁架台实验步骤：（1）先将电脑、数据采集器和运动传感器连接好（如右图），注意将钩码挂在弹簧上方，静止时高出运动传感器感应区13厘米之上以避开传感器盲区（2）打开控制软件,设置传感器采样频率及采样时间（3）将钩码从弹簧原长时释放（4）按采集按钮，采集钩码的高度、速度随时间变化关系（5）利用威尼尔提供的软件中“数据”列表—“新计算栏”处理数据（也可利用Excel处理数据）,计算得到相应得重力势能、动能、弹性势能和机械能（6）结果分析(如下图)“重力势能——时间”图像“动能——时间”图像“弹性势能——时间”图像“机械能——时间”图像综合图像三、总结上述实验操作简单，现象直观，能帮助学生轻松地“看”到“机械能守恒”这一自然界的最基本规律，从而激发学生对物理学科的兴趣和探究自然规律的欲望，提高课堂学习效率，帮助学生更深入的体会到“守恒”的魅力。但是在实验开发过程中，受自身实验设计水平和实验室条件影响，本人也留下了较大的遗憾：动能重力势能弹性势能机械能1、根据机械能守恒的条件，当只有弹簧弹力对物体做功时，弹簧弹性势能和物体动能之间可以相互转化，由弹簧和物体构成的系统中机械能也守恒。但是本人在验证此类机械能守恒实验过程中碰到下列问题：（1）由于只涉及弹簧弹性势能与物体动能之间的转化，而竖直方向的运动又肯定将涉及重力做功，重力做功势必涉及重力势能和动能、弹簧弹性势能的相互转化，所以物体必须在水平方向运动，才能不涉及重力势能；（2）物体水平方向运动受到接触面摩擦力的影响较大，本人试图通过研究气垫导轨上的物体，以解决摩擦力影响问题，此时却发现传感无法有效固定，以致数据很难测量;（3）实验中为了不计弹簧动能（因为弹簧动能没法测量），所以弹簧必须是轻质弹簧，但水平方向固定的弹簧受自身重力影响还是较大。（4）本实验弹簧弹性势能和物体动能相互转化过程中涉及到弹簧的压缩和拉伸，而实验所用的弹簧一般都是拉伸弹簧，在恢复原长后无法被压缩，弹簧内部发生非弹性形变，此时不符合机械能守恒条件；由于上述条件限制，本人目前未能解决这一类机械能守恒的验证方案2、在验证重力势能、弹簧弹性势能和动能三者之间相互转化实验中，弹簧弹性势能的计算用到了弹簧弹性势能计算式221kxEp，这在新人教版教材不涉及，而且《浙江省高中新教材教学指导意见》也明确说明不要求学生掌握该式，所以本人又试图利用“弹簧弹力随长度改变量变化的F-X图现象中的面积”间接计算弹性势能，以避开上述弹性势能计算式之一部要求内容，但实验效果不理想，实属遗憾。