“必須先接通電源,后釋放紙帶”嗎?

摘要:本文是在新課改的基礎上，先對驗證機械能守恒實驗中，要求“必須先接通電源，后釋放紙帶”提出自己不同的觀點;接著對原有的理由進行分析，并對“先釋放紙帶，后接通電源”進行了探究;最后在兩種操作下對紙帶分析探究出各自的可行之處。

關鍵詞:釋放;紙帶;接通;電源

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2010)1(S)-0045-2

驗證機械能守恒定律一直是高中力學中一個非常重要的實驗。自2005年江蘇進入新課改以來，對學生提出了更高的要求，要求學生能夠達到對該實驗進行探究、分析、推理，甚至達到設計的能力。

隨著教育的不斷發展，驗證機械能守恒實驗也在不斷地改進中，從最初的打下的第一、二個點必須是2mm，到現在可以“無關緊要”;為了減小誤差，對實驗裝置進行了穩定性加固，等等。這些改進都是我們的學生和老師在平時的實驗中不斷探究的結果。

在實驗的探究中，對于該實驗中“必須先接通電源，后釋放紙帶”的操作方法，筆者持有不同的觀點:是不是一定要按照這樣的順序呢?如果先釋放紙帶，后接通電源，能完成該實驗嗎?對驗證機械能守恒又有什么影響呢?筆者下面就淺談一些自己的想法，希望起到拋磚引玉的效果。

1 對“必須先接通電源，后釋放紙帶”的原有解釋的分析

教師在學生進行實驗時，對“必須先接通電源，后釋放紙帶”的解釋往往持有兩種說法:(1)打點計時器剛開始啟動，打點不穩定，待穩定了再放紙帶。(2)由于物體下落得快，人的反應又需要時間，等放下紙帶，再去接通電源的話，紙帶已經下落一部分了。(有些老師在指導時經常講:如果某某同學反應慢的話，紙帶都穿過了計時器，還沒有來得及接通電源。)

對此，筆者認為:(1)現在電磁打點計時器已經被電火花計時器所代替，其計時精度與交流電源頻率的穩定程度一致，其脈沖周期漂移不大于50微秒，遠優于電磁打點計時器。所以電火花計時器打點很穩定，不需要向電磁打點計時器那樣，達到穩定狀態才能做實驗。只要接通電源，打點的頻率就是交流電的頻率。因此，第一種說法不能作為解釋的理由。(2)眾所周知只要思想集中，人的反應時間通常在0.2s左右，在這段時間內，自由落體下落的高度大約在20cm左右。只要同組學生配合得好，紙帶下落的一段就不是很長，可以剩下足夠完成該實驗所需的長度。

2 對“先接通電源，后釋放紙帶”探究

該實驗利用自由落體為情景來驗證機械能守恒。為了更加接近自由落體，在選紙帶時，老師經常讓學生選用第一、二兩個點之間的距離大約在2mm的紙帶。 如果紙帶是在脈沖火花離開第一個點的瞬間釋放的，那么重錘在打第一、二兩點間的運動時間就是0.02s，下落高度大約為2mm;如果紙帶是在脈沖火花離開第一個點后某時刻才開始下落，那么重錘從開始運動到打第2點的運動時間就沒有0.02s，而是 (0.02s-t) 。比如，紙帶是在打第一點后0.01s瞬間才開始下落，那么重錘在打第2點前的運動時間就只有0.01s，下落高度也就大約為0.5mm。在實驗中，第一、二個點之間的時間是人為無法把握的。這就決定了第一、二個點之間距離的不確定性。但是，第一個點處的瞬時速度卻是零。因此，教師就讓學生重復打點，多打幾條紙帶，從中選擇更合理的紙帶。

3 對“先釋放紙帶，后接通電源”探究

可能大多數老師認為這樣操作比較麻煩，難以把握反應時間。不過新課標提高了對學生實驗的探究能力要求，只要沒有違背實驗原理和客觀事實就可以探究。通過實驗，我們會發現這樣去操作對于第一、二個點之間時間把握是很精確的，就是0.02s。但是這時候打第一個點時的速度卻不為零。而且，在紙帶分析的時候，由于點和點之間的距離和“先接通電源，后釋放紙帶”打下距離相比，要大一些，故沒有必要把離剛開始的幾個點不考慮，而是從第一個點就可以開始分析。

4 對打好點的紙帶進行分析探究

(1)傳統的做法是在打好點的紙帶中挑選點跡清晰的紙帶，在起始點標上o，再從距離比較大的點開始，各點依次標上1、2、3，...。首先用刻度尺測量出對應下落的高度h1、h2、h3、……，再用公式vn=hn+1-hn-12T計算各點對應的瞬時速度v1、v2、v3 、…，最后計算各點對應的勢能減少量mghn并和動能增量12mv2n進行比較。對紙帶的要求:第一、二個點的距離必須是2mm，只有這樣才能保證重錘自由落體。

通過探究分析知:利用mghn=12mv2n來驗證，只要確保打第一點時重錘的初速度為零就可以了。不管第一、二個點的距離多少，只要是“先接通電源，后釋放紙帶”就可以滿足初速度為零的條件。如果“先釋放紙帶，后接通電源”是不能滿足初速度為零的條件，就不可以利用mghn=12mv2n來驗證。

(2)新課改以來，教科書(人教版必修二)明確指出:為了增加實驗結果的可靠性，可以重復進行多次實驗，還可以在一次下落中測量多個位置的速度，比較重物在這些位置上動能和勢能之和。從這我們可以看出:教材中的驗證方法不再向以前那樣單一了，而是拓寬了學生的思維，增強了探究性。比如:我們可以研究紙帶上的第2個點和后面的某點n之間機械能是否守恒，只需通過探究來驗證mghn2=12mv2n-12mv22。這時候就沒有必要要求第一個點的速度是否為零了，只要取紙帶上任意位置的點就可以處理。這時候我們就可以啟發學生來探究“先接通電源，后釋放紙帶”和“先釋放紙帶，后接通電源”這兩個不同的操作來完成實驗，并進行比較，看看哪一個更好，誤差更小。

總之，在驗證機械能守恒的實驗過程中，作為教師沒有必要講清實驗操作方法，而是在教師的引導下，讓學生在探究過程中逐步摸索。新課改提高了對學生探究能力的培養，對物理中實驗操作不再規定有限的幾種步驟，而是讓學生在自己操作的過程中逐步探究出合理的、多元性的操作方法。因此，讓學生經歷探究的過程，就是培養學生質疑、求證能力和科學態度的過程。

(欄目編輯陳 潔)