也谈探究机械能守恒定律的实验设计

谭敏强 王建锋 白 静

(陕西科技大学附属中学,陕西咸阳 712081)

本刊在2009年第11期刊登了《DIS实验探究教学初探——机械能守恒定律的教学设计》一文,作者使用DIS采集实验数据,用Datastudio软件对实验数据进行处理,作出实验图像.可以通过图像形象准确地显示出物体运动过程中动能、重力势能的变化与机械能的关系.但是文中对Datastudio软件的操作过程介绍较少,整个实验过程不是很清晰.

笔者也利用朗威DISLab(数字化信息系统实验室)对本节的实验进行了改进.一般探究机械能守恒定律的实验是使用轨道小车,将轨道的一端垫高平衡摩擦力使小车从轨道上下滑拖动纸带,用打点计时器记录运动的情况,再计算出相应的物理量探究机械能守恒定律.但这样的设计中摩擦力的平衡不好把握,计算量也比较大,导致课堂效率低下.如果用气垫导轨代替轨道小车可以克服摩擦阻力的问题,应用DISLab进行测量结合Excel处理数据可很快得出结论,从而节省时间提高课堂效率.

实验原理:在气垫导轨上,可以忽略轨道的摩擦力,将一端垫高,滑块沿斜面下滑,只有重力对其做功,测出滑块运动中任意两位置的瞬时速度、量出两位置的高度差再进行相应的比较来研究机械能是否守恒.

如图1所示,设气垫导轨两支脚相距为 L,光电门间距为 l,将支脚 A垫高H,光电门的高度差h,根据比例式可以得到

图1

本实验中,遮光片的宽度为d=0.02 m,经过两光电门的时间分别为 t1,t2,通过的速度就分别为v2=取低处光电门为零势点,则在两光电门处滑块的机械能分别为比较 E1、E2是否相等可得出机械能是否守恒.而 E1、E2表达式中的质量 m可以约去,即比较是否相等即可.

实验器材:DISlab,计算机,气垫导轨及附件.

实验过程:

(1)将气垫导轨调节水平,把一支脚调高使 h=0.038 m,按0.6 m间距安装两光电门.

(2)将两光电门接入数据采集第1、第2通道.

(3)启动DISLab实验软件,选择“通用软件”的“计算表格”,单击“自动记录”中的“开始”按钮,启动气泵,让滑块自由滑下5～6次,点击“结束”,将数据导入 Excel进行数据保存.

(4)在Excel中进行数据处理.

(5)再将支脚依次调高2H、3H重复上述步骤.

数据处理:

(1)启动Excel 2003会自动新建一个 Excel工作簿,单击“文件”菜单中的“另存为”命令,在“另存为”对话框中选择合适的路径,在“文件名”框中键入文件的名称.单击“保存”.

(2)根据实验中测得的数据和需要计算的结果设计表格,输入实验测得的数据,如表 1.

表1

(3)计算 v1.选择单元格D2,在其中输入“=0.02/B2”(不含引号),完成后按Enter键,此时单元格 D2就会自动显示v1的计算结果.选择单元格D2向下拖动右下角的“╋”标志,下面各行的单元格就以相同的计算方式进行计算并填充单元格.

(4)计算 v2.选择单元格 E2,在其中输入“=0.02/C2”(不含引号),完成后按Enter键,此时单元格E2就会自动显示v2的计算结果.选择单元格E2向下拖动右下角的“╋”标志填充.

(5)计算 E1′、E2′.选择单元格 F2,在其中输入“=(D2＾2)/2+9.8*0.038”(不含引号),完成后按 Enter键,此时单元格F2就会自动显示 E1′的计算结果.选择单元格G2,在其中输入“=(E2＾2)/2”(不含引号),完成后按 Enter键,此时单元格G2就会自动显示 E2′的计算结果.分别选择单元格F2和G2向下拖动右下角的“╋”标志填充.

(6)计算 E1′、E2′的平均值.选择单元格H2,在其中输入“=AVERAGE(F2:F7)”(不含引号),完成后按Enter键,此时单元格H2就会自动显示 E1′平均值的计算结果.选择单元格 I2,在其中输入“=AVERAGE(G2:G7)”(不含引号),完成后按 Enter键,此时单元格I2就会自动显示 E2′平均值的计算结果,如表2.

表2

另外,步骤(3-6)中的公式编辑过程也可以在选择相应单元格之后,在公式编辑栏输入引号中的内容完成计算.