高中物理力學低成本演示實驗探討

由于實驗器材的限制、實驗成本較高等問題，高中物理教學中許多演示實驗難以開展.低成本演示實驗主要利用生活中常見的物品作為實驗器材，不僅解決了實驗器材不足的問題，還能讓學生感受到物理與生活的緊密聯系，激發學生的學習興趣和探索欲望.

1高中物理力學低成本演示實驗設計案例分析

1.1實驗設計案例一驗證機械能守恒定律實驗目的

（1）利用自由落體運動驗證機械能守恒定律.（2）通過聲音傳感器記錄鐵球的落地時間，間接計算下落速度，比較重力勢能減少量與動能增加量.

實驗器材

裝有聲音傳感器的智能手機；質量為 ψ_m 的鐵 球；刻度尺;鋼尺（一端粘有薄橡皮泥）.

實驗原理 橡皮泥上.

（3）設置傳感器：將手機聲音傳感器（振幅模式）置于桌面附近，確保能捕捉落地撞擊聲.

（4）釋放鐵球：迅速敲擊鋼尺側面，使鐵球自由下落.

（5）記錄數據：傳感器生成聲音振幅一時間曲線，標記撞擊時刻 Ψ_t

（6）重復實驗：多次測量 h 和 Ψ_t ，取平均值減少誤差.

數據處理

計算動能變化量與勢能變化量的比值，若比值接近1（如 0.95～1.05） ，則驗證機械能守恒定律成立.

1.2 案例應用

例某物理研究小組采用圖1所示的實驗裝置來“驗證機械能守恒定律”.實驗器材主要包括：配備聲音傳感器的智能手機、鐵球、刻度尺、鋼尺等.實驗步驟如下：

鐵球從高度 h 自由下落，落地時：重力勢能減少量 ΔE_‰ ，動能增加量 若 ΔE_k≈ ΔE_?p ，則驗證機械能守恒.

通過聲音傳感器記錄鐵球落地時刻的撞擊信號（振幅突增），結合下落時間 Ψ_t 和 ，可計算末速度 ·

實驗步驟

（1）測量高度 h ：用刻度尺測出橡皮泥上表面到地板的高度差 h ：

（2）放置鐵球：將鐵球靜正放置在鋼尺末端的

a.在鋼尺末端粘貼一層薄橡皮泥，將該端略微伸出桌面邊緣，使用刻度尺測定橡皮泥表面與地面之間的垂直距離 h=90cm ·

b.將質量為 ψ_m 的鐵球靜置于鋼尺末端的橡皮泥上；c.將智能手機置于桌面上方，啟動手機聲音“振幅”（聲音傳感器）檢測程序；

d.快速敲擊直尺側面，使鐵球自由下落；

e.傳感器采集并存儲聲音振幅隨時間變化的波形數據.

（1）聲音振幅隨時間的波形如圖2所示，圖中前兩個峰值點分別對應敲擊鋼尺和鐵球落地的時刻，由此可得鐵球下落的時間間隔 ω_t=ω_s 業

（2）已知鐵球質量為 m=200g ，某研究者通過 計算出鐵球落地時的速度，則下落過程中，鐵球動能的增加量為 ΔE_k=J ；重力加速度為9.8m/s² ，鐵球重力勢能的減少量為 ΔE_?=J. 實驗結果表明，在誤差允許的范圍內，鐵球在自由下落過程中機械能守恒.（結果均保留三位小數）

解析（1）鐵球下落的時間間隔 t=1.95s- 1.52s=0.43s

（2）鐵球下落過程中，落地速度為 （2號

則鐵球動能的增加量為 1.752J，

鐵球重力勢能的減少量為 ΔE_?p=mgh=0.2× 9.8×0.9J≈1.764J

評析本實驗巧妙運用了智能手機的聲音傳感器功能來測定時間，進而驗證了機械能守恒定律，實驗器材獲取容易，成本低，是高中力學實驗創新的重要途徑.需要特別說明的是：小球在豎直方向上做自由落體運動，小球下落的時間由高度決定，若敲擊鋼尺側面時鐵球獲得一個較小的水平速度，不會影響小球的落地時間，對實驗測量結果沒有任何影響.

2高中物理力學低成本演示實驗的實施策略

2. 1 結合教學內容設計實驗

教師應根據高中物理力學的教學內容和教學目標，精心設計低成本演示實驗.在設計實驗時，要充

分考慮學生的認知水平和實際情況，選擇合適的實驗主題和實驗方法，使實驗能夠有效地輔助教學，幫助學生理解和掌握知識.

2.2 引導學生參與實驗設計

在教學過程中，教師可以引導學生參與到低成本演示實驗的設計中.鼓勵學生從生活中尋找實驗器材，設計實驗方案，然后師生共同討論、完善實驗方案.這樣不僅能夠培養學生的創新思維和實踐能力，還能讓學生更加深入地理解實驗原理和物理知識.

2.3注重實驗過程的指導

在實驗實施過程中，教師要加強對學生的指導，確保學生正確操作實驗器材，規范實驗步驟.同時，教師要引導學生認真觀察實驗現象，記錄實驗數據，并對實驗結果進行分析和總結.此外，教師還應及時發現學生在實驗過程中出現的問題，并給予指導和幫助.

2.4加強實驗后的總結和反思

實驗結束后，教師要組織學生對實驗進行總結和反思.引導學生回顧實驗過程，分析實驗現象和實驗數據，總結實驗結論.同時，讓學生思考實驗過程中存在的問題和不足之處，并提出改進的建議和方法.通過總結和反思，幫助學生鞏固所學知識，提高實驗能力和科學素養.

3結語

通過實際案例分析和教學效果可以看出，低成本演示實驗能夠激發學生的學習興趣，培養學生的創新思維.在設計和實施低成本演示實驗時，應遵循科學性、直觀性、安全性、簡易性和趣味性等原則，采用合理的實施策略，確保實驗的教學效果.隨著教育教學改革的不斷深入，高中物理力學低成本演示實驗將在高中物理教學中發揮更加重要的作用，為提高高中物理教學質量做出更大的貢獻.

參考文獻：

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