數(shù)字化實驗驗證機械能守恒定律數(shù)字化實驗驗證機械能守恒

數(shù)字化實驗驗證機械能守恒定律杭州第四中學(xué)王凱摘要：驗證機械能守恒定律實驗是高中物理教學(xué)中的一個很重要的演示實驗和學(xué)生實驗，傳統(tǒng)實驗可采集數(shù)據(jù)少、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜且直觀性差，不利于學(xué)生加深對“能的轉(zhuǎn)化”和“守恒”的理解?，F(xiàn)在利用傳感器和計算機相配合，發(fā)揮數(shù)字化實驗的優(yōu)勢，可以順利、直觀、迅速地解決上述問題，更好地展示物理魅力！關(guān)鍵詞：數(shù)字化實驗相互轉(zhuǎn)化驗證機械能守恒一、背景機械能是自然界中普遍存在的一類能量，包括動能和勢能（包括重力勢能和彈性勢能），在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動能與勢能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機械能保持不變。在高中的機械能守恒定律教學(xué)中，如何讓學(xué)生“看”到這樣美妙的“守恒”是教學(xué)的一個重點也是一個難點，“機械能守恒”需要通過更直觀的實驗加以實現(xiàn)。在傳統(tǒng)教學(xué)中，一般會用重錘做自由落體實驗，用打點計時器和紙帶記錄下落高度和時間信息，得出重力勢能的變化情況；再通過對紙帶分析計算出物體的速度，從而得出動能的變化情況，最后比較重力勢能改變量和動能改變量來驗證機械能守恒。這種方法操作雖然看似比較簡單，但是后期數(shù)據(jù)的計算量比較大，且只能反映某些點上的機械能情況，不能實時反映機械能的動態(tài)守恒特性，更致命的是這個實驗只能驗證機械能守恒當(dāng)中最簡單的一類——“動能和重力勢能的總和守恒”。而機械能當(dāng)中的勢能除重力勢能外還包括彈性勢能（主要指彈簧的彈性勢能），所以機械能的守恒不僅僅是重力勢能和動能相互轉(zhuǎn)化過程中可以守恒，還應(yīng)該包括動能和彈性勢能兩者之間的系統(tǒng)機械能守恒，更應(yīng)該包括動能、重力勢能以及彈性勢能三者之間的系統(tǒng)機械能守恒。在傳統(tǒng)教學(xué)實驗中，由于彈簧彈性勢能和動能以及重力勢能轉(zhuǎn)化過程中，彈簧彈性勢能大小測定困難，這就造成后面的兩種機械能守恒實驗無法向?qū)W生展示！近些年，隨著新一輪高中課程改革的實施和深入，教學(xué)中配備了數(shù)字化實驗設(shè)備，利用傳感器和計算機技術(shù)，可以實現(xiàn)物理量的實時檢測，從而幫助學(xué)生“看”到物理規(guī)律，對規(guī)律有一個更為深刻透徹的認識，此外利用計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力，把人從繁瑣的數(shù)據(jù)處理中解脫出來，從而有更多的精力投入到新的探究活動中！筆者自行設(shè)計了以下幾個數(shù)字化實驗，能實時反映機械能的動態(tài)守恒，還能把涉及彈簧彈性勢能的系統(tǒng)機械能守恒問題加以展現(xiàn)！二、驗證實驗方案本文中介紹的實驗均采用威尼爾數(shù)字化實驗室設(shè)備。1、驗證動能和重力勢能相互轉(zhuǎn)化過程中的機械能守恒以測量籃球在豎直上拋過程中位移時間關(guān)系為模型，利用傳感器自動收集，電腦高速運算獲得動能、勢能數(shù)據(jù)，從而發(fā)現(xiàn)籃球在整個過程中機械能守恒。實驗器材：一個威尼爾運動傳感器和一籃球?qū)嶒灢襟E：藝（1克）先布將電墓腦、扇數(shù)據(jù)烤采集砍器和面運動都傳感友器連瘡接好呆（2糧）打膊開控議制軟聽件,帆設(shè)置但傳感辛器螺采樣勤頻率埋及采準樣時型間特（3用）將受籃球置置于鈴運動涼傳感悉器上追方（塘注意披避開敲傳感勿器盲虛區(qū)恥，即艙高出中感應(yīng)伶區(qū)負13裕厘米汽）服（4擁）按酒采集挪按鈕腔，聽炎到冒“健嘀嘀亦嘀取”百的采翅集聲串后再由豎直警向上盯方拋紋出籃貍球勵（籃谷球不鍋必拋軋得過者高）旬（5盤）利族用威掉尼爾摩提供略的軟松件中奉“炊數(shù)據(jù)元”群列表岡—“技新計蜻算欄汪”渴處理欲數(shù)據(jù)和（也室可利傾用E架xc峽el虧處理園數(shù)據(jù)睜）蝶（6粉）結(jié)絨果分昨析存(如叉下圖祝)狡威尼夾爾運令動傳珠感器終可以莫直接堪測出照研究激對象伐的位財移（禿即本銀實驗柔中的秀高度逼）、錦速度膏以及美加速蠅度隨披時間忙變化后圖像新和數(shù)淚據(jù)，黨通過億軟件紋提供況的數(shù)食據(jù)處井理功錄能稱可以青分別匠計算詳出相舍應(yīng)的栽重力樣勢能顏（以淚傳感絮器的謎信號閣接收鏟面為茶零勢息能參謎考平同面）麗、動無能以蘭及機控械能蠢。熱“偽高度顧——培時間海”趙圖咳疫盞明傍反扎液灣蝴“將速度申——佛時間貧”部圖均印不籃球仆上拋竭近似嘴于豎俘直上嗓拋運敬動，成其高棄度隨味時間怪變化喘關(guān)系經(jīng)為壞，圖職像是稅開口肅向下闊的二釣次函魂數(shù)拋伸物線恢；速教度隨難時間犬變化蛙關(guān)系遍為似，圖駕像是祖斜率炒為負美的一禁次函兆數(shù)斜易線暈。喘“閉重力撕勢能灣——腥時間取”習(xí)圖觀“墓動能規(guī)——沉?xí)r間嬌”翼圖優(yōu)籃球岸上拋錫過程朽中高眾度隨杜時間康變化絨關(guān)系籃圖像影是開板口向疤下的差二次是函數(shù)宗拋物億線，羨則其復(fù)重力厭勢能刪隨時僑間變逢化關(guān)自系為狡，也旁是一剪拋物方線；即籃球僵動能腫隨時宋間變身化關(guān)乏系為永，圖辦像是痕開口曲向上境的二替次函清數(shù)拋堪物線押線。偶“來機械眨能五——藝時間膽”錫圖埋籃球艇的動艷能和炕重力注勢能杯之和僚——前機械核能速在拋揀出至達下落史過程肝中特幾乎適保持縮不變眾，說飛明該紹過程許機械嗎能守言恒！時2、透驗證銹動能漂、濱重力擇勢能憑以及導(dǎo)彈簧梯彈性揭勢能暢三者點相互讓轉(zhuǎn)化款過程秋中的顯系統(tǒng)幅機械臟能守彎恒巷該實檢驗的抄難點賭在于難計算熱實時南的彈舌性勢渡能大玉小，黃利用犯彈簧糖彈性補勢能鹽計算僅式渠直接介計算源彈性健勢能頂實驗雁器材暈：郊一個藝威尼陰爾運壇動傳備感器健、輕制彈簧領(lǐng)、鉤蜓碼和追鐵架脖臺豎實驗陵步驟如：馳（1慎）先我將電港腦、分數(shù)據(jù)歪采集窮器和厲運動棋傳感只器連劉接好肅（如迫右圖揀）處，注式意將彎鉤碼自掛在遼彈簧銜上方冬，靜涉止時踐高出粒運動宮傳感辣器感良應(yīng)區(qū)葡13個厘米棉之上防以避粱開傳婚感器簡盲區(qū)怖（2澇）打目開控織制軟終件,夫設(shè)置香傳感譜器采吼樣頻敞率及枯采樣榨時間都（3申）將鋤鉤碼艦從拜彈簧娛原長算時釋神放拼（4新）按賤采集累按鈕鼠，焰采集貼鉤碼熄的高才度、發(fā)速度斜隨時槍間變胖化關(guān)肉系肌（5泊）利混用威鳥尼爾跡提供似的軟委件中扁“晌數(shù)據(jù)濟”賀列表演—“達新計甘算欄絲”沿處理方數(shù)據(jù)其（也各可利五用E隸xc薪el倚處理團數(shù)據(jù)束）懇,計前算得刺到相縮應(yīng)得簽重力北勢能般、動捆能、誓彈性擔(dān)勢能返和機充械能耗（6余）結(jié)修果分藥析(極如下圈圖)聽“因重力擱勢能飽——珠時間紙”推圖像耐蓬碌“暫動能趁——拴時間陣”壤圖像患“蜓彈性運勢能券——灰時間網(wǎng)”岸圖像燕“放機械判能覺——世時間戀”期圖像動能動能重力勢能彈性勢能機械能償綜合紫圖像逼三、曾總結(jié)強上述封實驗央操作田簡單死，現(xiàn)搏象直客觀，求能幫僅助務(wù)學(xué)生孝輕松伶地量“拉看掩”個到的“宣機械券能守午恒犯”球這一黑自然盟界的直最基諷本規(guī)攪律，置從而鞋激發(fā)參學(xué)生參對物如理學(xué)膽科的判興趣坦和探竊究自鄙然規(guī)陸律的歪欲望田，提質(zhì)高課木堂學(xué)貌習(xí)效賄率，痕幫助套學(xué)生腹更深謊入的隊體會悄到脅“膠守恒宋”灣的魅藝力。血但是激在實踩驗開肺發(fā)眠過程歉中，裳受自作身實薄驗設(shè)啦計水醋平和塌實驗控室條葉件影粒響，課本人堪也留雜下了萍較大睡的遺老憾：謠危1、買根據(jù)努機械掌能守譯恒的固條件虧，當(dāng)匆只有奔彈簧泉彈力尾對誠物體或做功駁時，唱彈簧暢彈性濕勢能圖和裂物體吩動能憶之間愿可以杯相互犁轉(zhuǎn)化肢，由苦彈簧糕和物噸體構(gòu)鉤成的警系統(tǒng)禁中機槐械能籮也弊守恒描。畫但是鼻本人員在喘驗證蓬此類伸機械戚能守糕恒實衣驗過蛇程鎮(zhèn)中碰媽到儀下列坡問題粒：禁由于沉只涉鞭及彈蕩簧彈悶性勢漲能與努物體謠動能戰(zhàn)之間婦的轉(zhuǎn)翁化，漢而豎燃直方雁向的捕運動令又愧肯定婆將涉厭及重油力做原功比，重健力做曠功勢狗必涉燒及鳴重力絕勢能胖和動晉能、季彈簧膠彈性鹽勢能宗的幫相互節(jié)轉(zhuǎn)化個，所旁以允物體謙必須攀在水捆平方齡向運司動申，別才能肆不涉熱及重抗力勢喬能攻；撕物體結(jié)水平屑方向扯運動爺受到直接觸財面摩滴擦力購的影匙響較禿大，讀本人奶試圖傘通過工研究殘氣墊紹導(dǎo)軌益上信的物暮體，鑄以解紐決摩圈擦力核影響糖問題慨，此鑰時卻游發(fā)現(xiàn)蓬傳感觀無法攻有效悟固定料，以衰致數(shù)喉據(jù)很捉難測鹿量欣;塔實驗諒中竹為了桂不計裳彈簧憤動能貿(mào)（因卷為彈澡簧動閥能沒貍法測趕量）鄰，所騾以走彈簧硬必北須是烘輕質(zhì)劈彈簧慧，您但水榆平方胸向固圈定的輝彈簧呆受自敬身重捉力影撇響還按是較買大。旨本實鳴驗彈乏簧彈沉性勢畢能和階物體鈴動能分相互恩轉(zhuǎn)化紫過程鎖中涉匆及到靠彈簧盈的壓運縮和擁拉伸譜，而辦實驗胞所用耍的彈捧簧一玩般都贏是拉炊伸彈肝簧，暴在恢語復(fù)原冰長后快無法享被壓隆縮，洋彈簧喝內(nèi)部哈發(fā)生柳非彈違性抖形變流，此平時辱不符皆合機暈械能垂守恒網(wǎng)條件聚；土由于顆上述火條件伙限制獨，本倆人目梨前未特能解法決這腦一類趙機械密能守礙恒的產(chǎn)驗證仁方案絹2、傻在驗裙證重高力勢叢能、畢彈簧兄彈性壟勢能堆和動摩能三陳者之緩間相度互轉(zhuǎn)逃化實銳驗中老，彈零簧彈坐性勢麥能的淺計算職用到蘇了彈箱簧彈絲性勢吳能計槍算式紹，這