传感器在“验证机械能守恒定律”实验中的优点

“验证机械能守恒定律”实验是人教版普通高中课程标准实验教科书物理(必修2)中,第七章第9节内容。本实验是安排在学习机械能守恒定律之后的重要学生实验,目的是为了使学生在理论上对机械能守恒定律有所了解的基础上,通过实验测量及对实验数据的分析处理,对机械能守恒定律及条件有深刻的认识。

传统方法是选择自由落体运动,利用打点计时器测量。在实验改进中还有应用单摆做定量测量方法,应用气垫导轨和光电门测量方法。而数字化实验方法是用位移传感器、数据采集器和计算机辅助实验,其优点是:实验设计思路易懂、操作简单、数据处理和作图非常快捷。

数字信息化实验系统的流程图如下:

实验装置 传感器 数据采集器 计算机

实验设计思路是:将气垫导轨调成水平,然后用垫块把导轨的一端垫高。将位移传感器固定在最高端,并与数据采集器、计算机连接,让滑块由轨道上端任一处滑下,则滑块运动到斜面上任意位置的速度ν和发生的位移s,由传感器进行数据采集,并通过模拟到数字(A/D)转换输入计算机,由计算机通过相应的软件对探测到的信息转化为相应的物理量的类型和数值。通过设置采集数据的时间,将需要的数据采集后,记录在数据表格里。软件中还有公式编辑功能,在数据表格中设置动能的增加量?E =mν 方程式,自动计算动能增量;再将斜面的长L、高H及发生位移s,与下降高度h的关系设置在表格中,程序自动生成ΔE =mgh,由比较结果得出?E ≈ΔE ,从而验证斜面上物体下滑中机械能守恒。

实验设计的优点是:

1.实验数据的采集和处理省时、准确、便捷。本实验利用位移传感器、数据采集器做实验,最大的好处是增强了采集实验数据的准确性,减少了人为计算的错误和误差。同时,瞬时速度ν直接记录,可以节省记录数据、手工方式处理数据所用的时间,从而可以把更多的时间用以对物理过程和规律的探究。

2.实验操作简单方便,测量直观。本实验采用滑块沿气垫导轨斜面下滑,物体重力势能的减少和动能的增加相比较,这一物理模型,学生容易理解,操作比较方便,也很直观,摩擦阻力也小。实验数据直接显示在计算机上,能随时观察,如果出现不合理数据,重复做实验也非常容易。

3.能同时记录多个实验物理量,对规律验证可配以直观图像来研究。利用传感器做实验能同时显示任意时刻的瞬时速度ν、增加的动能ΔE 、发生的位移s、减少的势能ΔE ,用电脑记录、呈现,学生观察方便。无论是用ΔE ≈ΔE 验证,还是用求出若干位置总机械能,看是否相等来验证,都能配以图线、图形等直观方式显示其变化,学生易接受,演示效果好,这是传统实验仪器无法实现的。

4.利于将科学探究融入课堂教学。新课程改革强调要培养学生的探究意识,结合本实验与探究实验室器材,可将本实验设计成“分组探究课堂教学实验”,学生自行操作采集和处理数据,几秒钟内能完成几百组、甚至更多数据的采集,采集到的数据还可以用图表形式显示,同时支持对实验结果的作图曲线分析,可完成包括函数在内的复杂运算。如此强大的计算和图形处理功能,给学生进行数据和图形分析处理提供了广大的探究空间,并且大大减少了学生机械繁杂的劳动和时间,有利于学生在实践环节中掌握知识,培养动手能力。学生可充分体验科学探究过程,享受科学探究带来的兴趣。

(作者单位:长春市第二中学)

责编 / 董 璐