曹 政 倪 敏 張 悅 李天發(fā) 徐小林 韓唯偉
(上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院 上海 200234)
(收稿日期:2016-05-19)
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DIS實驗探究彈簧振子系統(tǒng)中的機(jī)械能守恒定律
曹 政 倪 敏 張 悅 李天發(fā) 徐小林 韓唯偉
(上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院 上海 200234)
(收稿日期:2016-05-19)
介紹一種用DIS研究機(jī)械能守恒定律的實驗方法,不僅為驗證機(jī)械能守恒提出了一種新的方法——振動法,也從物體動能、重力勢能和彈性勢能三者相互轉(zhuǎn)化的角度驗證機(jī)械能守恒,更全面地闡明了機(jī)械能守恒的條件,加深學(xué)生對機(jī)械能守恒定律的理解.
機(jī)械能守恒 DIS實驗 彈性勢能
機(jī)械能守恒定律是一條重要的物理定律,是人教版高中《物理·必修2》第七章第8節(jié)的內(nèi)容.傳統(tǒng)的實驗采用打點計時器的驗證方式,這個方式中打點計時器與限位孔及振針存在一定誤差問題[1].DIS實驗具有靈敏度高,精確性高等優(yōu)點.驗證機(jī)械能守恒定律的DIS實驗有很多方法,如擺球法、斜軌法、光柵法等.傳統(tǒng)的實驗和其他用DIS驗證機(jī)械能守恒定律的方法有很多,但都存在一定局限性,都是通過動能和重力勢能的轉(zhuǎn)化來驗證機(jī)械能守恒的[2].機(jī)械能守恒定律是指在只有重力或彈力做功的系統(tǒng)內(nèi),動能與勢能可以互相轉(zhuǎn)化,而總的機(jī)械能保持不變.實際上,機(jī)械能守恒也可以是動能、重力勢能、彈性勢能三者之間的轉(zhuǎn)化.類似于自由落體等重力做功的物理模型在學(xué)生的腦海中容易產(chǎn)生和形成,也根深蒂固.這種驗證方式容易讓學(xué)生以為機(jī)械能守恒定律僅限于重力做功,從而忽視彈力做功.該問題若在傳統(tǒng)的實驗中改進(jìn),將產(chǎn)生實驗數(shù)據(jù)不便于測量等問題.因此,筆者設(shè)計了動能、重力勢能、彈性勢能三者之間相互轉(zhuǎn)化的DIS實驗來進(jìn)行改進(jìn)[3].
朗威DISLab(光電門、力傳感器和數(shù)據(jù)采集器)1套,計算機(jī)1臺,鐵架臺1套,輕質(zhì)彈簧1個,細(xì)線1根,砝碼1個,透明塑料尺1把.實驗裝置示意圖如圖1所示.
圖1 實驗裝置示意圖
由于重物小球很難精確做到小球直徑恰好通過光電門的紅外線發(fā)射孔,筆者采用圓柱形砝碼進(jìn)行實驗,以減小實驗誤差.同時,用一根細(xì)線將砝碼和彈簧相連,來避免彈簧經(jīng)過光電門影響數(shù)據(jù)采集.
將砝碼在適當(dāng)高度釋放,確保砝碼在豎直方向上下振動,開始采集數(shù)據(jù).讓砝碼在光電門之間,做往復(fù)運(yùn)動.通過添加公式,計算砝碼的動能、重力勢能,彈簧的彈性勢能,求出總的機(jī)械能.從實驗結(jié)果上,根據(jù)系統(tǒng)的初末狀態(tài)的機(jī)械能,驗證機(jī)械能守恒定律.
(1)在驗證機(jī)械能守恒定律之前,利用朗威DISLab胡克定律實驗測量彈簧的勁度系數(shù),彈簧勁度系數(shù)如表1所示.
(2)將朗威DISLab機(jī)械能守恒實驗器材按圖1安裝好,把兩個光電門固定在鐵架臺上后,并接入數(shù)據(jù)采集器的第一通道和第二通道.
(3)將砝碼通過細(xì)線懸掛在彈簧下端,調(diào)整細(xì)線的長度,使砝碼處于兩個光電門之間.
(4)調(diào)整光電門或砝碼位置,確保砝碼可在光電門的激光孔之外上下往復(fù)振動.
(5)打開“計算表格”,點擊“自動記錄”中的“開始”,將砝碼在適當(dāng)高度釋放,確保在砝碼豎直上下振動過程中,滿足振動的最高點時,砝碼的最低點高于光電門1的激光孔,同時在振動的最低點,砝碼的最高點低于光電門2的激光孔.否則清除數(shù)據(jù),重復(fù)步驟(5).
(6)點擊“變量”,分別定義“m”表示砝碼質(zhì)量,“h”表示兩個光電門激光孔之間的距離,“x1”表示砝碼在經(jīng)過光電門1時彈簧的拉伸量,“x2”表示砝碼在經(jīng)過光電門2時彈簧的拉伸量,“d”表示砝碼的厚度,“κ”彈簧的勁度系數(shù).
5.1 彈簧勁度系數(shù)實驗結(jié)果
表1 彈簧勁度系數(shù)實驗數(shù)據(jù)
5.2 驗證機(jī)械能守恒實驗結(jié)果
通過光電門測量砝碼經(jīng)過光電門所用的時間t1,t2以及“變量”砝碼質(zhì)量m,兩個光電門激光孔之間的距離h,砝碼在經(jīng)過光電門1時彈簧的拉伸量x1,砝碼經(jīng)過光電門2時彈簧的拉伸量x2,砝碼的厚度d如表2所示.
表2 各變量的實驗結(jié)果
表3 數(shù)據(jù)計算結(jié)果
5.3 實驗分析
實驗中,把系統(tǒng)機(jī)械能的表達(dá)式用E機(jī)械能=Ek砝碼+Ep砝碼+Ep彈簧來表示,這本身就存在著近似,忽略彈簧的動能和勢能,也或者可以近似地認(rèn)為彈簧運(yùn)動過程中的動能和勢能之和保持不變;在實際操作中,近似地認(rèn)為彈簧豎直上下振動.因此,實驗的誤差主要來源于這個兩個近似,分析可知:
(1)彈簧存在一定的動能和勢能,同時,砝碼在運(yùn)動到平衡位置以上時,動能、重力勢能成反變關(guān)系可以近似為之和保持不變,但當(dāng)砝碼運(yùn)動到平衡位置以下時,動能減小,重力勢能仍然減小,則不可這樣近似.但是實驗中彈簧為輕質(zhì)彈簧,彈簧的動能計算有些復(fù)雜,且實驗的誤差小于1%,實驗也達(dá)到了利用三者能量轉(zhuǎn)化相對地驗證機(jī)械能守恒定律的目的.
(2)實際操作中,很難保證彈簧豎直上下振動,所以實驗中要求操作人員,多次實驗選取實驗較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),同時在實驗過程中也要注意觀察,防止實驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大誤差的同時也要保護(hù)好光電門.
從實驗結(jié)果上可以看出,用振動法驗證機(jī)械能守恒的DIS實驗全面地驗證了動能、重力勢能、彈性勢能三者之間的能量守恒關(guān)系.本次實驗在驗證了機(jī)械能守恒定律的同時,完整地應(yīng)和了機(jī)械能守恒定律的概念,加深了學(xué)生對于機(jī)械能守恒定律的含義和適用條件的理解[5].實驗也提出了驗證機(jī)械能守恒定律的一種新方法,更好地發(fā)揮出了DIS實驗的優(yōu)勢,對促進(jìn)學(xué)生的思維能力和培養(yǎng)學(xué)生探究能力起到重要作用.本實驗的研究對象和以往的實驗也有所不同,不再是單一的重物,而是用重物和彈簧的系統(tǒng)進(jìn)行分析,在實驗設(shè)計上也提出了一種新的思路[6].參 考 文 獻(xiàn)
1 馮克誠.中學(xué)物理實驗改進(jìn)設(shè)計與規(guī)范操作實用全書.北京:中國對外翻譯出版公司,1999.1388
2 潘志民.DIS實驗對“摩擦力”一節(jié)教學(xué)的幫助.物理教師,2011,32(8):38
3 馬麗娜.DIS驗證恒力做功的動能定理及其改進(jìn).中學(xué)物理教學(xué)參考,2015,44(10):95
4 孟小兵.DIS技術(shù)與傳統(tǒng)實驗的結(jié)合——機(jī)械能守恒定律的實驗教學(xué).物理教學(xué)探討,2011,29(9):53
5 王劍.DIS實驗探究教學(xué)初探——機(jī)械能守恒的教學(xué)設(shè)計.物理教師,2009,30(11):42
6 孫廣銘,唐根寶.用DIS驗證機(jī)械能守恒定律.教學(xué)儀器與實驗,2015,31(1):59
曹政(1988- ),男,在讀研究生,學(xué)科教學(xué)(物理)專業(yè).
指導(dǎo)教師:倪敏(1960- ),女,副教授,主要從事物理教育和物理實驗研究.