也談探究機械能守恒定律的實驗設計

譚敏強 王建鋒 白 靜

(陜西科技大學附屬中學,陜西咸陽 712081)

本刊在2009年第11期刊登了《DIS實驗探究教學初探——機械能守恒定律的教學設計》一文,作者使用DIS采集實驗數據,用Datastudio軟件對實驗數據進行處理,作出實驗圖像.可以通過圖像形象準確地顯示出物體運動過程中動能、重力勢能的變化與機械能的關系.但是文中對Datastudio軟件的操作過程介紹較少,整個實驗過程不是很清晰.

筆者也利用朗威DISLab(數字化信息系統實驗室)對本節的實驗進行了改進.一般探究機械能守恒定律的實驗是使用軌道小車,將軌道的一端墊高平衡摩擦力使小車從軌道上下滑拖動紙帶,用打點計時器記錄運動的情況,再計算出相應的物理量探究機械能守恒定律.但這樣的設計中摩擦力的平衡不好把握,計算量也比較大,導致課堂效率低下.如果用氣墊導軌代替軌道小車可以克服摩擦阻力的問題,應用DISLab進行測量結合Excel處理數據可很快得出結論,從而節省時間提高課堂效率.

實驗原理:在氣墊導軌上,可以忽略軌道的摩擦力,將一端墊高,滑塊沿斜面下滑,只有重力對其做功,測出滑塊運動中任意兩位置的瞬時速度、量出兩位置的高度差再進行相應的比較來研究機械能是否守恒.

如圖1所示,設氣墊導軌兩支腳相距為 L,光電門間距為 l,將支腳 A墊高H,光電門的高度差h,根據比例式可以得到

圖1

本實驗中,遮光片的寬度為d=0.02 m,經過兩光電門的時間分別為 t1,t2,通過的速度就分別為v2=取低處光電門為零勢點,則在兩光電門處滑塊的機械能分別為比較 E1、E2是否相等可得出機械能是否守恒.而 E1、E2表達式中的質量 m可以約去,即比較是否相等即可.

實驗器材:DISlab,計算機,氣墊導軌及附件.

實驗過程:

(1)將氣墊導軌調節水平,把一支腳調高使 h=0.038 m,按0.6 m間距安裝兩光電門.

(2)將兩光電門接入數據采集第1、第2通道.

(3)啟動DISLab實驗軟件,選擇“通用軟件”的“計算表格”,單擊“自動記錄”中的“開始”按鈕,啟動氣泵,讓滑塊自由滑下5～6次,點擊“結束”,將數據導入 Excel進行數據保存.

(4)在Excel中進行數據處理.

(5)再將支腳依次調高2H、3H重復上述步驟.

數據處理:

(1)啟動Excel 2003會自動新建一個 Excel工作簿,單擊“文件”菜單中的“另存為”命令,在“另存為”對話框中選擇合適的路徑,在“文件名”框中鍵入文件的名稱.單擊“保存”.

(2)根據實驗中測得的數據和需要計算的結果設計表格,輸入實驗測得的數據,如表 1.

表1

(3)計算 v1.選擇單元格D2,在其中輸入“=0.02/B2”(不含引號),完成后按Enter鍵,此時單元格 D2就會自動顯示v1的計算結果.選擇單元格D2向下拖動右下角的“╋”標志,下面各行的單元格就以相同的計算方式進行計算并填充單元格.

(4)計算 v2.選擇單元格 E2,在其中輸入“=0.02/C2”(不含引號),完成后按Enter鍵,此時單元格E2就會自動顯示v2的計算結果.選擇單元格E2向下拖動右下角的“╋”標志填充.

(5)計算 E1′、E2′.選擇單元格 F2,在其中輸入“=(D2＾2)/2+9.8*0.038”(不含引號),完成后按 Enter鍵,此時單元格F2就會自動顯示 E1′的計算結果.選擇單元格G2,在其中輸入“=(E2＾2)/2”(不含引號),完成后按 Enter鍵,此時單元格G2就會自動顯示 E2′的計算結果.分別選擇單元格F2和G2向下拖動右下角的“╋”標志填充.

(6)計算 E1′、E2′的平均值.選擇單元格H2,在其中輸入“=AVERAGE(F2:F7)”(不含引號),完成后按Enter鍵,此時單元格H2就會自動顯示 E1′平均值的計算結果.選擇單元格 I2,在其中輸入“=AVERAGE(G2:G7)”(不含引號),完成后按 Enter鍵,此時單元格I2就會自動顯示 E2′平均值的計算結果,如表2.

表2

另外,步驟(3-6)中的公式編輯過程也可以在選擇相應單元格之后,在公式編輯欄輸入引號中的內容完成計算.