“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)探究性教學(xué)

引入：機(jī)械能守恒定律：在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能和勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機(jī)械能保持不變．

探究1——猜想：可采用什么方法驗(yàn)證該定律？

學(xué)生從定律出發(fā)，通過(guò)猜想、討論、分析，選擇研究對(duì)象，確定運(yùn)動(dòng)模型；分析適用條件，從多個(gè)運(yùn)動(dòng)模型中，尋找恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)模型：可選用熟悉的運(yùn)動(dòng)模型，如自由落體運(yùn)動(dòng)、拋體運(yùn)動(dòng)等，可思考探討新的模型，如單擺等．

探究2——小組討論：分析幾種運(yùn)動(dòng)模型的可操作性．

適合條件的運(yùn)動(dòng)模型有多種，必須分析運(yùn)動(dòng)模型的可操作性．關(guān)于實(shí)驗(yàn)的可行性分析，是實(shí)驗(yàn)分析的重點(diǎn)與難點(diǎn)，更是決定實(shí)驗(yàn)?zāi)芊裢瓿傻年P(guān)鍵所在．

例如，有學(xué)生提出利用單擺來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：將小球拉至某一高度后由靜止釋放，測(cè)得小球擺動(dòng)穩(wěn)定后經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)時(shí)的速度以及小球到達(dá)的最高點(diǎn)的高度，即可通過(guò)比較小球在最低點(diǎn)的動(dòng)能和到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)的重力勢(shì)能來(lái)驗(yàn)證定律．

有學(xué)生提出質(zhì)疑：①很難測(cè)量小球在最低點(diǎn)的速度；②很難準(zhǔn)確測(cè)定小球在擺動(dòng)過(guò)程中到達(dá)的最高點(diǎn)的位置．討論后，學(xué)生們一致認(rèn)為單擺模型的可操作性低．最終大多數(shù)學(xué)生都選擇利用自由落體運(yùn)動(dòng)模型來(lái)完成該實(shí)驗(yàn)．

探究3——小組討論、動(dòng)手：該實(shí)驗(yàn)需選用什么實(shí)驗(yàn)器材？如何組裝？

筆者引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，確定需要測(cè)量的物理量，選擇恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)儀器．在該環(huán)節(jié)中，重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注“恰當(dāng)”，涉及電表量程、儀器精確度的選擇等問(wèn)題．

本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證，需要確定兩個(gè)狀態(tài)，分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的v1、v2、h1、h2．學(xué)生注意到，自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，若以重物剛下落的瞬間為初狀態(tài)，則只需測(cè)量末狀態(tài)的v、h，驗(yàn)證?葒Ek與?葒EP是否相等即可．學(xué)生這一提議，大大簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理的過(guò)程．

學(xué)生們經(jīng)討論還提出：選用鐵架臺(tái)豎直固定打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄重物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，利用紙帶測(cè)量重物下落的高度和測(cè)算對(duì)應(yīng)的速度．

在筆者的引導(dǎo)下，各小組動(dòng)手組裝好實(shí)驗(yàn)裝置，檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的可操作性，做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作．

探究4——猜想、小組發(fā)言：實(shí)驗(yàn)步驟如何？

學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，討論步驟的正確性與合理性，明確實(shí)驗(yàn)操作應(yīng)該有先后順序，不能隨意更改，無(wú)秩序地完成實(shí)驗(yàn)可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果．

該實(shí)驗(yàn)步驟如下：①組裝好實(shí)驗(yàn)器材，在紙帶下夾上重物；②用手提住紙帶上端，使重物靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器；③接通電源，釋放紙帶；④斷開(kāi)電源，取下紙帶，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理．

探究5——揣摩、嘗試：實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)如何呈現(xiàn)？如何處理與記錄？如何分析實(shí)驗(yàn)結(jié)論？如何分析實(shí)驗(yàn)誤差？

該環(huán)節(jié)注重培養(yǎng)、鍛煉學(xué)生分析和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力，重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生掌握高中階段要求的幾種基本處理方法，如列表法、計(jì)算法、圖像法等．

學(xué)生處理紙帶時(shí)發(fā)現(xiàn)，重物下落h高度時(shí)，總有?葒Ek略小于?葒EP．實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在誤差允許的范圍內(nèi)，系統(tǒng)機(jī)械能守恒．

學(xué)生思考后提出，引起實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差的原因主要是重物和紙帶在下落過(guò)程中與空氣、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的振針、限位孔等的摩擦．選擇體積小質(zhì)量大的重物，同時(shí)保證限位孔在同一豎直平面內(nèi)等，可以有效地減少誤差．

探究6——反思：實(shí)驗(yàn)可如何做進(jìn)一步的改進(jìn)？

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)原理及系統(tǒng)誤差來(lái)源分析，重物下落h高度時(shí)，總有

?葒Ek略小于?葒EP．在誤差允許的范圍內(nèi)，該結(jié)論可證明機(jī)械能守恒定律成立．筆者當(dāng)堂按照學(xué)生設(shè)計(jì)的步驟完成一次操作，將打出的紙帶交由學(xué)生處理，卻得出一個(gè)結(jié)果：?葒Ek>?葒EP．是什么原因造成的？筆者將問(wèn)題拋給學(xué)生，引發(fā)新的討論：數(shù)據(jù)處理時(shí)出錯(cuò)？實(shí)驗(yàn)裝置出了問(wèn)題？實(shí)驗(yàn)步驟遺漏了什么細(xì)節(jié)？……

學(xué)生一一求證．重復(fù)多次計(jì)算，結(jié)果不變；檢查裝置，沒(méi)問(wèn)題；再推敲步驟，順序等均沒(méi)錯(cuò)．各小組再動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，有的小組這次竟也同樣得出了?葒Ek>?葒EP的結(jié)論．

學(xué)生們互相解說(shuō)自己的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，細(xì)心回憶、對(duì)比兩次操作的不同，終于發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題：在放開(kāi)紙帶時(shí)，手不小心的抖動(dòng)而使重物下落具有初速度，在處理紙帶時(shí)卻默認(rèn)了打下的第一個(gè)點(diǎn)是無(wú)速度的，因而使?葒Ek>?葒EP．

學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行了修改：用夾子固定紙帶上端，接通電源后再松開(kāi)夾子．保證重物無(wú)初速下落．

經(jīng)過(guò)該環(huán)節(jié)，學(xué)生認(rèn)識(shí)到細(xì)節(jié)的重要性，享受到探究的樂(lè)趣，也提高了對(duì)物理的學(xué)習(xí)興趣．

探究7——課后實(shí)踐：利用本實(shí)驗(yàn)的裝置，你還可以探究什么？（如測(cè)算當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭等）

筆者通過(guò)猜想、小組討論、揣摩、嘗試、反思等行為設(shè)置7個(gè)探究環(huán)節(jié)，從實(shí)驗(yàn)原理出發(fā)，一步一步引導(dǎo)學(xué)生探討出恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)方法，選出恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)出合理的實(shí)驗(yàn)步驟，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論；更進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考新的實(shí)驗(yàn)方法，發(fā)掘新的實(shí)驗(yàn)器材，進(jìn)行探究性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)．

責(zé)任編輯 羅峰