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VIP免费

第1页共4页编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第1页共4页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第2页共4页第1页共4页编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第2页共4页（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h=v0t−12gt2，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v=v0−gt，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Ep=mgh=mg(v0t−12gt2)，也是一抛物线；篮球动能随时间变化关系为Ek=12mv2=12m(v0−gt)2，图像是开口向上的二次函...