核心素养视域下机械能守恒实验的改良与优化

林绍乾

成都树德中学，成都 610014

物理实验是物理教学的重要构成，高中物理实验一般分为探究性实验和验证性实验两类。验证性实验具有目标明确、程序清晰、实验严谨、操作规范等优点[1]，在物理教学中具有不可替代的作用。探究性实验是发展学生物理学科核心素养、培养科学思维的重要环节及关键载体。因此，新版本教材中探究性实验居多，仅保留了少部分验证性实验，而机械能守恒定律的验证就是其中之一。

机械能守恒定律是高中物理中解决力学问题的重要工具，在处理多对象、多过程的复杂问题时具有重要地位。机械能守恒并非普适性定律，其应用需满足一定外界条件，如何寻找机械运动中的守恒量，探究在什么条件下满足机械能守恒，是机械能教学中的难点。教材中机械能守恒实验或许是出于课堂容量和课堂效率的考量采用验证性实验。但研究发现，也可基于教材“寻找守恒量”的思想，在提出问题及猜想假设后，提供不同的器材，引导学生基于不同运动模型去设计多种可行性的实验方案。教师通过此种方式将教材中简单的验证性实验转变为侧重于对实验方案设计的探究实验，为学生搭建科学思维训练的平台，从而提升学生的实验探究能力。

1 教材中机械能守恒定律的实验设计

2013年以及2019年的人教版和教科版教材在机械能教学的编排上都是从理论验证角度出发，推导出单个物体从光滑斜面下滑或自由下落过程中的机械能守恒定律；证明在仅有弹力做功的系统内，动能与弹性势能相互转化且总机械能不变。从而得出结论：只有在重力或弹力做功的系统内，动能和势能可以相互转化，而总的机械能保持不变。老版本的高中物理教材验证机械能守恒定律的实验（图1）有以下优点及不足（表 1）。

表1 自由落体运动探究机械能守恒的优点及不足

图1 自由落体验证机械能守恒

2019年版人教版教材中除自由落体的机械能守恒的证明外，推广到了沿斜面下滑的物体机械能守恒验证。实验利用气垫导轨、光电门提高物体速度的测量精度，减小阻力对守恒的影响（图2），但并未从本质验证系统机械能守恒及曲线运动过程中机械能守恒。

图2 利用气垫导轨、光电门验证机械能守恒

开放性实验探究含创设情境、提出问题、猜想假设、制订计划并设计实验、进行实验收集数据、分析论证和评估交流合作七要素。可选择其中某一环节，对验证性实验进行改良，变为部分探究实验。在制订计划并设计实验方案维度，可设计曲线运动下的机械能守恒以及系统机械能守恒的方案。

2 核心素养视域下的机械能守恒定律实验探究改良

教材通过理论推导得出了机械能守恒定律的内容后，给出了例题：把一个小球用细线悬挂起来，就成为一个摆（图3），摆长为 l，最大偏角为θ。如果阻力可以忽略，小球运动到最低点时的速度大小是多少？

图3 单摆验证机械能守恒

由表2可知，在实验器材条件重组的情况下，利用单摆模型可以设计出两种不同的机械能守恒实验方案。

表2 利用单摆进行曲线运动下机械能守恒的验证改良与优化

续表2

3 基于Tracker软件的系统机械能守恒定律探究

证明多对象组成的系统中，受重力以及系统内的弹力作用条件下的系统机械能守恒是学生学习过程的另一难点，常见的此类实验方案如图7—图10所示。

图7 连接体系统机械能守恒

图8 弹性碰撞系统机械能守恒

图9 单摆碰撞系统机械能守恒

图10 竖直面内弹簧振子

此类实验均未能解决学生对于机械能守恒的核心困惑，即存在弹性势能转化下的系统机械能守恒的验证。由于高中阶段对弹性势能的公式不做直接要求，在教材的实验验证中也就未涉及对此类机械能守恒的证明，学生缺乏相应的经验以及证明。从培养学生科学思维的角度出发，在课后拓展延伸时提供一个备选的实验方案，即选择涉及到动能、弹性势能、重力势能相互转化的最基础模型——竖直平面内的弹簧振子作为研究对象。

基本思路如下：

（1）利用线性变力做功推导弹性势能的公式；

（2）结合视频追踪软件记录物体运动过程中的位移和速度；

（3）利用表格提前设计出动能、重力势能、弹性势能的计算公式；

（4）表格处理数据，并描绘图像，由学生总结出规律。

通过以上思路，完成涉及到动能、弹性势能、重力势能转化下的系统机械能守恒的实验探究。

在视频追踪软件、硬件的选取过程中，对比Kinect传感器和Tracker软件。前者虽然精度更高，且数据获得更为直观，但鉴于需要单独采购，且集成度过高，不利于学生思维训练以及推广使用。最终采用可以免费获取的Tracker软件来进行实验探究。

视频分析软件Tracker主要通过分析物理实验的视频，追踪视频中所研究质点的运动轨迹，从而简便高效地得出实验所需的数据。其具有如下特点：

（1）追踪高效

该软件可以实现手动和自动的高效追踪，进而得出物体位置、速度及加速度的数据，并且利用数据生成相应图表。

（2）模拟准确

可建立追踪质心甚至两个系统的运动学、动力学模型。

（3）操作便捷，获取免费

Tracker软件与频闪照相原理相似，学生易于理解其原理，同时更易获取，操作便捷，其与频闪照相的优劣对比如表3所示。

利用Tracker软件验证竖直平面内弹簧振子系统机械能守恒的实验设计：

（一）实验器材

铁架台、弹簧、红色实心金属球、白色底板（利于计算机软件对研究对象追踪）。

（二）实验原理

Tracker软件原理如表3所示。

表3 Tracker软件与频闪照相对比

（三）实验步骤

1.拍摄视频：弹簧一端与铁架台相连，一端与小球相连。将白色底板放置于装置背后，便于软件对小球运动轨迹的追踪。选择合适机位，开始录像后，将小球从弹簧处于原长状态由静止开始释放，记录小球在竖直面内的振动过程，时长约为10 s。

2.打开Tracker软件，导入视频。选择质点，确定标度，打开软件自动追踪功能，点击开始追踪后在软件中记录下小球竖直方向的位置坐标及其对应时间关系（图11）。

图11 利用Tracker软件采集实验数据

3.复制实验数据，导入Excel表格，表格设置为以下项目（图12）：

图12 Excel表格内容

（1）表格采集数据

表格中运动时间t、偏离弹簧释放点（原长距离）y和小球运动速度v三组数据为Tracker软件数据采集后直接获得。

（2）Excel表格计算数据

动能、重力势能、弹性势能需要根据提前铺垫的知识在表格中编辑对应公式：

（3）测量数据

小球质量m=0.12 kg，弹簧劲度系数k=6.5 N/m，重力加速度g=9.8 m/s2。

（四）数据处理

将Tracker软件中记录的时间t以及竖直位置坐标y导入表格，由计算机完成数据计算即可得到系统不同时刻的动能、弹性势能、重力势能和机械能情况（图13）。再利用Excel中数据处理图像功能拟合出图像，即可得到集成动能、重力势能、弹性势能和机械能随时间变化的图像（图14）。

图13 探究小球及弹簧系统振动过程中机械能变化情况

图14 探究小球及弹簧系统振动过程能量随时间变化E-t图像

（五）误差分析及反思

本实验的误差来源主要是标度尺的测量精度，以及计算机对视频物体的追踪定位精度[2]。因此，减小误差需要注意两个方面：选择精准的测量参照物，选定合适标度；在视频物体的追踪定位出现误差时需要手动进行调节。从实验结果看，学生从图表数据归纳得出，在误差允许的范围内，竖直平面内的简谐振动系统机械能守恒。

本实验通过课堂对弹簧振子模型的验证，使学生掌握软件的基本使用方法，进而可在课后利用该软件进一步研究平抛、斜抛、竖直平面内的圆周运动甚至是复杂的曲线运动情况，为学生提供了探索复杂运动情况的途径，实现了从课内向课外的拓展延伸。

物理实验是物理学科核心素养中科学思维与科学探究能力培养的重要载体，探究性实验以及验证性实验虽然在培养学生科学思维与科学探究能力中具有不同方面的侧重，但本身可以相互切换、改良与互补。因此，教师在进行实验教学的过程中，针对不同的学生、不同的课时安排，可以围绕实验教学核心，以教材实验为基础，以学生现有的知识储备为依托，根据不同的物理模型，从而提供不同实验器材，进行适当的引导与铺垫后，充分发挥主观能动性，让学生参与实验方案的设计、改良与创新。在完成教材中的验证性实验基本要求后，让学生拥有更为广阔的探索与设计空间，对于学生科学思维、质疑创新能力的培养有重大意义。