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DIS實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律
——采用通用軟件進(jìn)行創(chuàng)新與改進(jìn)

2021-09-24 03:22陳蕾卉劉愛云
物理通報(bào) 2021年10期
關(guān)鍵詞:擺錘初速度機(jī)械能

陳蕾卉 劉愛云 涂 泓

(上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院 上海 200234)

1 引言

機(jī)械能守恒定律是運(yùn)動(dòng)學(xué)中的基本定律,同時(shí)也是中學(xué)物理課程學(xué)習(xí)的重點(diǎn)內(nèi)容.它反映了在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi),物體系統(tǒng)的動(dòng)能和勢(shì)能之間可以發(fā)生相互轉(zhuǎn)化,但機(jī)械能的總能量保持不變這一理論.在傳統(tǒng)的驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的DIS實(shí)驗(yàn)中,通常采用專用軟件進(jìn)行測(cè)量,初速度為零是給定的默認(rèn)實(shí)驗(yàn)條件,并不是實(shí)際測(cè)量出來的.在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中,有可能由于初始釋放的位置、人手釋放的不確定性等因素,導(dǎo)致其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與初速度為零的實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果相差較大.并且,這種初速度及實(shí)驗(yàn)表格都提前為學(xué)生預(yù)備好的做法,并不能鍛煉學(xué)生的物理科學(xué)思維、創(chuàng)造力及思辨能力.本文采用通用軟件的測(cè)量方式來進(jìn)行實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表格,并改進(jìn)了關(guān)于初速度的測(cè)量方式.因此,本文中的以通用軟件來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)相較于傳統(tǒng)的使用專用軟件來說,更加準(zhǔn)確和全面[1,2].

2 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)器材:朗威DISLab數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)、朗威光電門傳感器、擺錘、細(xì)線、鐵架臺(tái)、帶刻度的高度板.

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.其中光電門傳感器固定在帶刻度的高度板上,接入數(shù)據(jù)采集器中,當(dāng)擺錘經(jīng)過光電門傳感器時(shí),光電門傳感器會(huì)實(shí)時(shí)記錄擺錘經(jīng)過光電門傳感器的時(shí)間,計(jì)算出此時(shí)擺錘的速度[3].

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

3 實(shí)驗(yàn)原理

把一個(gè)擺錘由細(xì)線懸掛起來,并拉到一定高度.當(dāng)擺錘由靜止開始釋放時(shí),如果忽略空氣阻力,此時(shí)擺錘只受到繩子給的拉力和本身所受的重力.根據(jù)擺錘的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及受力分析,繩子給擺錘的拉力不做功,此時(shí)系統(tǒng)中只有重力做功,動(dòng)能和勢(shì)能之間可以相互轉(zhuǎn)化,符合機(jī)械能守恒定律的條件[4].

根據(jù)機(jī)械能的定義可知,無論勢(shì)能和動(dòng)能如何變化,兩者之和都等于機(jī)械能.則將擺錘經(jīng)過A,B,C,D4點(diǎn)的動(dòng)能值和勢(shì)能值分別對(duì)應(yīng)相加,如果得到的4個(gè)機(jī)械能值,在誤差允許的范圍以內(nèi)基本一致,則可以證明機(jī)械能守恒定律成立.

4 實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)進(jìn)入朗威通用軟件,設(shè)計(jì)表格如表1所示.

表1 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律設(shè)計(jì)表格

(2)測(cè)量擺錘直徑s及其質(zhì)量m,以及高度板上P,Q,R點(diǎn)的高度(假定D點(diǎn)高度為零,D點(diǎn)所在水平面為零勢(shì)能面),填寫到表格中.

(3)利用測(cè)平器精準(zhǔn)完成實(shí)驗(yàn)裝置定位,將擺錘釋放裝置固定到實(shí)驗(yàn)器上的P點(diǎn),光電門的擋光孔固定在實(shí)驗(yàn)器的A點(diǎn)上.

(4)點(diǎn)擊“開始”,在P點(diǎn)釋放擺錘,擺錘通過光電門傳感器的時(shí)間將被記錄在表格中,通過公式計(jì)算出擺錘通過A點(diǎn)的速度.

(5)調(diào)整光電門位置分別到B,C,D3點(diǎn),重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟,測(cè)得擺錘在3點(diǎn)通過光電門傳感器的時(shí)間,通過公式計(jì)算出擺錘通過B,C,D3點(diǎn)的速度.

(6)根據(jù)公式計(jì)算出A,B,C,D4點(diǎn)上的動(dòng)能和重力勢(shì)能,進(jìn)而求出A,B,C,D這4點(diǎn)上各自的機(jī)械能值,得到結(jié)果如表2所示.

表2 以P點(diǎn)為初始釋放點(diǎn),驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的測(cè)量數(shù)據(jù)

(7)再利用測(cè)平器,將擺錘釋放裝置分別固定在Q和R點(diǎn),重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),得到結(jié)果如表3、4所示.

表3 以Q點(diǎn)為初始釋放點(diǎn),驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的測(cè)量數(shù)據(jù)

表4 以R點(diǎn)為初始釋放點(diǎn),驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的測(cè)量數(shù)據(jù)

(8)將3組數(shù)據(jù)匯總,繪制成表格如表5所示.

表5 匯總P,Q,R 3點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)

(9)將表5的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,繪制成折線統(tǒng)計(jì)圖,如圖2所示.

圖2 P,Q,R 3點(diǎn)的能值變化

5 專用軟件的實(shí)驗(yàn)步驟

(1)測(cè)量實(shí)驗(yàn)擺錘的直徑s及其質(zhì)量m,記錄數(shù)據(jù).

(2)利用擺錘釋放裝置在A點(diǎn)靜止釋放擺錘,分別將光電門傳感器固定在測(cè)量點(diǎn)D,C,B,測(cè)量D,B,C3點(diǎn)上擺錘通過光電門傳感器的速度.

(3)通過“數(shù)據(jù)計(jì)算”功能,得到擺錘在A,B,C,D點(diǎn)的動(dòng)能、勢(shì)能和機(jī)械能值,如圖3所示.

圖3 專用軟件驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的測(cè)量數(shù)據(jù)

6 專用軟件與通用軟件的對(duì)比 改進(jìn)原因及優(yōu)勢(shì)

6.1 兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由上述實(shí)驗(yàn)表格可知,利用通用軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量,其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總圖像較為平穩(wěn),各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果均在朗威實(shí)驗(yàn)儀器的誤差允許范圍以內(nèi),結(jié)果較為準(zhǔn)確.

從數(shù)據(jù)可以看出,利用專用軟件進(jìn)行測(cè)量,采用初速度為零的實(shí)驗(yàn)條件,則其他實(shí)驗(yàn)結(jié)果很容易與給定初速度的實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差,造成誤差過大的情況.

6.2 專用軟件與通用軟件的實(shí)驗(yàn)步驟對(duì)比

專用軟件采用的實(shí)驗(yàn)方式是將A點(diǎn)作為起始點(diǎn),并將A點(diǎn)速度為零作為默認(rèn)的已知條件,直接填寫在表格中.之后分別將光電門傳感器放在B,C,D3點(diǎn),測(cè)量出擺錘在B,C,D3點(diǎn)的瞬時(shí)速度,以此計(jì)算出擺錘在A,B,C,D4點(diǎn)的動(dòng)能、勢(shì)能、機(jī)械能之間的關(guān)系,從而驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.

本文中所采用的使用通用軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表格的測(cè)量方法,與原始實(shí)驗(yàn)方式的不同點(diǎn)在于:將初始點(diǎn)分別改變?yōu)榇怪备叨雀哂贏點(diǎn)的P,Q,R3點(diǎn),且分別在此3點(diǎn)處釋放,使得擺錘在A點(diǎn)的瞬時(shí)速度是可被測(cè)量的.之后,再分別測(cè)量出擺錘在A,B,C,D4點(diǎn)的速度,以此計(jì)算4點(diǎn)動(dòng)能、勢(shì)能、機(jī)械能之間的關(guān)系.

6.3 改進(jìn)原因及優(yōu)勢(shì)

綜上所述,兩種實(shí)驗(yàn)方式主要的不同點(diǎn)在于:測(cè)量軟件的選擇、初始位置點(diǎn)的選擇以及實(shí)驗(yàn)表格的使用上.

在通用軟件中,如果仍然照搬專用軟件的實(shí)驗(yàn)步驟,將光電門傳感器固定在A點(diǎn),將擺錘由A點(diǎn)靜止釋放,則需要光電門傳感器測(cè)量出擺錘在A點(diǎn)速度為零的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,此點(diǎn)的數(shù)據(jù)才有意義.但是由于光電門傳感器的工作原理,速度為零的物體實(shí)際上并不能引起光電門傳感器進(jìn)行工作.如果想引起光電門傳感器工作,則必須存在擺錘經(jīng)過光電門的時(shí)間,通過計(jì)算擺錘的寬度與擺錘經(jīng)過光電門的時(shí)間,得出擺錘經(jīng)過此點(diǎn)的速度值,而此速度值并不符合實(shí)驗(yàn)假定的初速度為零這一條件,也同樣不能作為A點(diǎn)速度的計(jì)算用值.所以,擺錘在A點(diǎn)速度為零這一數(shù)值是不能被測(cè)量出來的.

根據(jù)通用軟件的工作原理,使得測(cè)量時(shí)并不能直接設(shè)定初始速度值為零.而舍棄測(cè)量擺錘在A點(diǎn)的瞬時(shí)速度會(huì)使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少,并不符合物理實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性.因此,在選擇通用軟件進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),我們要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn),重新選擇實(shí)驗(yàn)初始點(diǎn)的位置,挑選高于A點(diǎn)的位置作為釋放點(diǎn),并且挑選P,Q,R3點(diǎn)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn),保證了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和嚴(yán)謹(jǐn)性.

同時(shí),指導(dǎo)學(xué)生采用通用軟件進(jìn)行測(cè)量,并要求學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表格的做法,符合物理的學(xué)科特點(diǎn).標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)過程應(yīng)該是:在實(shí)驗(yàn)前,指導(dǎo)學(xué)生選擇合適的實(shí)驗(yàn)器材,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案;在實(shí)驗(yàn)過程中,學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀察和記錄,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量和讀數(shù);實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,學(xué)生自主對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,并進(jìn)行反思與評(píng)估.

實(shí)驗(yàn)過程是一種培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的過程,是對(duì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新意識(shí)和能力培養(yǎng)的有效途徑.實(shí)驗(yàn)并不是一帆風(fēng)順,有可能出現(xiàn)各種問題和情況,它要求教師不僅要講授學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí),還要培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和完備的科學(xué)思維.因此,單純采用實(shí)驗(yàn)過程簡(jiǎn)單,實(shí)驗(yàn)操作單一,實(shí)驗(yàn)表格直接給定的專用軟件來進(jìn)行物理教學(xué),并不能達(dá)到物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)科要求.

本文采用的實(shí)驗(yàn)方式可以省略需測(cè)量A點(diǎn)速度為零的實(shí)驗(yàn)步驟,使得在實(shí)驗(yàn)中每一個(gè)觀察點(diǎn)的測(cè)量值都是可以被真實(shí)地測(cè)量到的,保證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)性和準(zhǔn)確性[5].

7 結(jié)束語

通過以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,運(yùn)用的通用軟件實(shí)驗(yàn)方法可以成功驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,其實(shí)驗(yàn)過程力求減少實(shí)驗(yàn)誤差,實(shí)驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可靠,均在物理實(shí)驗(yàn)所要求的實(shí)驗(yàn)誤差范圍以內(nèi).將傳統(tǒng)的專用軟件實(shí)驗(yàn)方法和通用軟件實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行比較分析,可以說明本文運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法的嚴(yán)謹(jǐn)性和全面性,使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具有說服力[6].對(duì)于相同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?,?shí)驗(yàn)方法往往有幾種,而從中選出最優(yōu)實(shí)驗(yàn)方法,是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要內(nèi)容.

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