科学合理外推验证机械能守恒定律——物理核心素养的渗透与培养

张宝龙

(安徽省宿州市砀山中学，安徽 宿州 235300)

在高中物理教材中,无论是哪个版本,验证机械能守恒定律这个实验都是比较重要的,也是作为培养学生物理知识与物理观念的重要知识点,也是培养学生的物理核心素养的重要实验．

质疑:只是说若在误差允许的范围内,可以验证机械能守恒定律,但是有误差,我们始终看不到真实的结果,这样说是不是有些牵强,或者甚至可以说在误差允许的范围内,|ΔEp|<ΔEk,又怎样能证明它是错误的呢?带着这种质疑,笔者尝试用另外一种方法,由伽利略落体实验的合理外推想到了一种数学推导和科学实验相结合方法,来验证机械能守恒定律．具体做法如下.

1 理论假设

2 实验器材

图1

电火花计时器,交流电源,纸带(墨粉纸盘),纸质重锤(自制),木质重锤(自制),铁质重锤,导线,毫米刻度尺,铁架台(带夹子),如图1所示．

3 实验过程设计

(1) 按图2装置固定好电火花计时器,并用导线将计时器接到220 V交流电源上．

(2) 将纸带的一端固定在纸质重锤上,使另一端穿过计时器的限位孔,用手竖直提着纸带,使纸质重锤静止在靠近计时器的地方．

(3) 接通电源,松开纸带,让纸质重锤自由下落,计时器就在纸带上打下一系列小点．

(4) 换几条纸带,重做上面的实验．

(5) 从几条打上了点的纸带上挑选点迹清晰的纸带进行测量．

(6) 在挑选出的纸带上,先记下打第一个点的位置0,再任意选取几个点1、2、3等,用刻度尺量出各点到0的距离h1、h2、h3．

(8) 如图3 — 图4所示，按照以上步骤分别用木质重锤、铁质重锤进行实验.实验纸带如图5所示，实验数据如表1所示．

图2 图3 图4

图5

4 实验数据及数据处理方法： 重锤质量m不需要测量(T=0.02s)

表1

把这些数据用几何画板分别作在同一幅图中进行比较，如图6所示.

图6

5 教学反思:

笔者看了很多资料,也尝试了好几种方法,刚开始笔者的设计是用光电门来测铁球、铁质重锤等经过光电门的时间,来求速度,但是中间时刻和中间位置的系统误差始终困扰着笔者．我们只是说若在误差允许的范围内,可以验证机械能守恒定律,但是有误差,我们始终看不到真实的结果．这样说是不是有些牵强,或者甚至可以说在误差允许的范围内,|Ep|