DIS实验验证机械能守恒定律——采用通用软件进行创新与改进

陈蕾卉 刘爱云 涂 泓

(上海师范大学数理学院 上海 200234)

1 引言

机械能守恒定律是运动学中的基本定律，同时也是中学物理课程学习的重点内容.它反映了在只有重力或弹力做功的物体系统内，物体系统的动能和势能之间可以发生相互转化，但机械能的总能量保持不变这一理论.在传统的验证机械能守恒定律的DIS实验中，通常采用专用软件进行测量，初速度为零是给定的默认实验条件，并不是实际测量出来的.在实际实验中，有可能由于初始释放的位置、人手释放的不确定性等因素，导致其实验结果与初速度为零的实验计算结果相差较大.并且，这种初速度及实验表格都提前为学生预备好的做法，并不能锻炼学生的物理科学思维、创造力及思辨能力.本文采用通用软件的测量方式来进行实验，让学生自行设计实验表格，并改进了关于初速度的测量方式.因此，本文中的以通用软件来进行实验相较于传统的使用专用软件来说，更加准确和全面[1,2].

2 实验装置简介

实验器材：朗威DISLab数据采集器、计算机、朗威光电门传感器、摆锤、细线、铁架台、带刻度的高度板.

实验装置如图1所示.其中光电门传感器固定在带刻度的高度板上，接入数据采集器中，当摆锤经过光电门传感器时，光电门传感器会实时记录摆锤经过光电门传感器的时间，计算出此时摆锤的速度[3].

图1 实验装置

3 实验原理

把一个摆锤由细线悬挂起来，并拉到一定高度.当摆锤由静止开始释放时，如果忽略空气阻力，此时摆锤只受到绳子给的拉力和本身所受的重力.根据摆锤的运动状态及受力分析，绳子给摆锤的拉力不做功，此时系统中只有重力做功，动能和势能之间可以相互转化，符合机械能守恒定律的条件[4].

根据机械能的定义可知，无论势能和动能如何变化，两者之和都等于机械能.则将摆锤经过A,B,C,D4点的动能值和势能值分别对应相加，如果得到的4个机械能值，在误差允许的范围以内基本一致，则可以证明机械能守恒定律成立.

4 实验过程及实验结果

(1)进入朗威通用软件，设计表格如表1所示.

表1 验证机械能守恒定律设计表格

(2)测量摆锤直径s及其质量m，以及高度板上P,Q,R点的高度(假定D点高度为零，D点所在水平面为零势能面)，填写到表格中.

(3)利用测平器精准完成实验装置定位，将摆锤释放装置固定到实验器上的P点，光电门的挡光孔固定在实验器的A点上.

(4)点击“开始”，在P点释放摆锤，摆锤通过光电门传感器的时间将被记录在表格中，通过公式计算出摆锤通过A点的速度.

(5)调整光电门位置分别到B,C,D3点，重复上述实验步骤，测得摆锤在3点通过光电门传感器的时间，通过公式计算出摆锤通过B,C,D3点的速度.

(6)根据公式计算出A,B,C,D4点上的动能和重力势能，进而求出A,B,C,D这4点上各自的机械能值，得到结果如表2所示.

表2 以P点为初始释放点，验证机械能守恒定律的测量数据

(7)再利用测平器，将摆锤释放装置分别固定在Q和R点，重复上述实验，得到结果如表3、4所示.

表3 以Q点为初始释放点，验证机械能守恒定律的测量数据

表4 以R点为初始释放点，验证机械能守恒定律的测量数据

(8)将3组数据汇总，绘制成表格如表5所示.

表5 汇总P,Q,R 3点的测量数据

(9)将表5的数据进行对比，绘制成折线统计图，如图2所示.

图2 P,Q,R 3点的能值变化

5 专用软件的实验步骤

(1)测量实验摆锤的直径s及其质量m，记录数据.

(2)利用摆锤释放装置在A点静止释放摆锤，分别将光电门传感器固定在测量点D,C,B，测量D,B,C3点上摆锤通过光电门传感器的速度.

(3)通过“数据计算”功能，得到摆锤在A,B,C,D点的动能、势能和机械能值，如图3所示.

图3 专用软件验证机械能守恒定律的测量数据

6 专用软件与通用软件的对比 改进原因及优势

6.1 两种实验结果分析

由上述实验表格可知，利用通用软件进行实验测量，其实验数据汇总图像较为平稳，各实验数据结果均在朗威实验仪器的误差允许范围以内，结果较为准确.

从数据可以看出，利用专用软件进行测量，采用初速度为零的实验条件，则其他实验结果很容易与给定初速度的实验计算结果出现偏差，造成误差过大的情况.

6.2 专用软件与通用软件的实验步骤对比

专用软件采用的实验方式是将A点作为起始点，并将A点速度为零作为默认的已知条件，直接填写在表格中.之后分别将光电门传感器放在B,C,D3点，测量出摆锤在B,C,D3点的瞬时速度，以此计算出摆锤在A,B,C,D4点的动能、势能、机械能之间的关系，从而验证机械能守恒定律.

本文中所采用的使用通用软件设计实验表格的测量方法，与原始实验方式的不同点在于：将初始点分别改变为垂直高度高于A点的P,Q,R3点，且分别在此3点处释放，使得摆锤在A点的瞬时速度是可被测量的.之后，再分别测量出摆锤在A,B,C,D4点的速度，以此计算4点动能、势能、机械能之间的关系.

6.3 改进原因及优势

综上所述，两种实验方式主要的不同点在于：测量软件的选择、初始位置点的选择以及实验表格的使用上.

在通用软件中，如果仍然照搬专用软件的实验步骤，将光电门传感器固定在A点，将摆锤由A点静止释放，则需要光电门传感器测量出摆锤在A点速度为零的实验结果，此点的数据才有意义.但是由于光电门传感器的工作原理，速度为零的物体实际上并不能引起光电门传感器进行工作.如果想引起光电门传感器工作，则必须存在摆锤经过光电门的时间，通过计算摆锤的宽度与摆锤经过光电门的时间，得出摆锤经过此点的速度值，而此速度值并不符合实验假定的初速度为零这一条件，也同样不能作为A点速度的计算用值.所以，摆锤在A点速度为零这一数值是不能被测量出来的.

根据通用软件的工作原理，使得测量时并不能直接设定初始速度值为零.而舍弃测量摆锤在A点的瞬时速度会使得实验数据较少，并不符合物理实验的严谨性.因此，在选择通用软件进行试验时，我们要进行实验改进，重新选择实验初始点的位置，挑选高于A点的位置作为释放点，并且挑选P,Q,R3点进行多次实验，保证了实验的准确性和严谨性.

同时，指导学生采用通用软件进行测量，并要求学生自行设计实验表格的做法，符合物理的学科特点.标准的实验过程应该是：在实验前，指导学生选择合适的实验器材，设计实验方案；在实验过程中，学生对实验现象进行观察和记录，对数据进行测量和读数；实验结束后，学生自主对数据进行处理和分析，并进行反思与评估.

实验过程是一种培养学生综合能力的过程，是对学生进行创新意识和能力培养的有效途径.实验并不是一帆风顺，有可能出现各种问题和情况，它要求教师不仅要讲授学科基础知识，还要培养学生严谨的科学态度和完备的科学思维.因此，单纯采用实验过程简单，实验操作单一，实验表格直接给定的专用软件来进行物理教学，并不能达到物理实验的学科要求.

本文采用的实验方式可以省略需测量A点速度为零的实验步骤，使得在实验中每一个观察点的测量值都是可以被真实地测量到的，保证了实验结果的严谨性和准确性[5].

7 结束语

通过以上实验结果可知，运用的通用软件实验方法可以成功验证机械能守恒定律，其实验过程力求减少实验误差，实验结果真实可靠，均在物理实验所要求的实验误差范围以内.将传统的专用软件实验方法和通用软件实验方法进行比较分析，可以说明本文运用实验方法的严谨性和全面性，使实验结果更具有说服力[6].对于相同的实验目的，实验方法往往有几种，而从中选出最优实验方法，是实验教学的重要内容.