一道“验证机械能守恒定律”实验题引发的教学思考

陈沛锋

摘 要：验证机械能守恒定律是高中物理教学中的一个重要实验，是高考实验命题的热点之一。由批改一道关于“验证机械能守恒定律”实验题中发现的问题为出发点，对本实验的教学提出一些建议，以期对一线教师的实验教学起到一定的帮助，有效地提高实验教学效率。

关键词：高中物理；机械能守恒；实验；教学

验证机械能守恒定律是高中物理的一个重要实验，它帮助学生理解机械能守恒定律的同时，很好地考查了学生对高中物理力学实验的综合理解能力，是物理高考实验命题的热点之一。本人通过批改一道“验证机械能守恒定律”实验题中发现的问题，对本实验的教学提出一些建议，以期促进教学效果的提升。

试题：如图，利用重物自由下落验证机械能守恒定律的实验装置。

（1）在“验证机械能守恒定律”的实验中，没有必要进行的操作是（ ）

A.用天平測重物的质量

B.用秒表测重物下落的时间

C.用打点计时器记录重物下落的信息

D.用纸带记录重物下落的高度

（2）在实验过程中，为了减小误差，重物应该选质量 的重锤（选填“较大”或者“较小”）其主要原因是 ；纸带打点时，应在释放纸带 （选填“之前”或“之后”）接通打点计时器的电源。

（3）该实验所用打点计时器的电源频率为50 Hz，纸带如图。A、B、C为纸带中选取的三个计数点，每两个计数点之间还有4个点未画出，则每两个计数点之间的时间间隔T= s，打点计时器在打下计数点B时，物体的下落速度为vB= m/s（保留三位有效数字）。

（4）由于该实验中存在阻力做功，所以实验测得的重物的重力势能的减少量 （选填“大于”、“小于”或“等于”）动能的增加量。

本题从实验原理、数据处理和实验误差分析等方面对学生进行了考查，从试题批改的情况来看，学生答题主要存在以下几个主要问题：

1.对实验原理理解不到位。如要测量的物理量，操作的先后顺序等。

2.没有掌握实验数据处理的方法。在判断两个计数点的时间间隔时，答了0.02 s、0.08 s或者1 s等。打下计数点B的速度算出了0.196 m/s、9.8 m/s等。

3.对实验误差来源不理解。学生选择了“较小”的重物，重物重力势能的减少量应“小于”或“等于”动能的增加量。

4.没有按题目要求，表述不规范。有些学生选填了“前”而不是“之前”等，结果没有保留三位有效数字。

为解决这些典型的答题错误问题，在本实验的教学上，我觉得要明确以下几个教学内容。

1.熟悉打点计时器的工作原理。如果打点计时器使用频率为50 Hz的交流电源，则每个计时点的时间间隔是0.02 s，如取每5个点作为一个计数点，则每两个计数点的时间间隔是0.1 s。打点计时器记录物体运动时间和位移的仪器，实验中不需要再单独用秒表来测量运动时间。实验时如要求第一个计时点速度为零，就应该遵守“先接通打点计时器电源，再释放纸带”的操作。

2.重点理解实验原理，了解误差来源。机械能守恒定律的一种理解是，物体在只有重力（或系统内弹力）做功的情况下，势能的变化量等于动能的变化量。用物体做自由落体运动的模型来验证机械能守恒定律，就是看看在只有重力做正功的情况下，物体重力势能的减少量是否等于其动能的增加量，因式子两边均有质量，可以用含有共同符号m的结果对比，故实验过程中不需要用天平测量重物的质量。这就是本实验的实验原理。实验过程中的阻力是不可避免的，所以阻力做负功会损失一定的机械能，物体实际下落过程中，其重力势能的减少量会略大于动能的增加量。为了使物体的运动尽量接近自由落体运动，我们的重物应该选择密度、质量都较大的物体，目的是让物体在下落过程中受到的阻力与重力相当，可以忽略，尽量减小阻力做负功对机械能损失的影响，减小实验误差。这些都是理解此实验原理的关键点，在教学过程中必须向学生明确说明，降低做题过程中错误率。

3.对记录做匀变速直线运动信息的纸带数据处理，是高中物理力学实验的核心内容。数据处理主要有两个方面：计算物体运动的加速度和运动到某时刻的瞬时速度。物体运动加速度的计算用到匀变速直线运动一个重要结论：相邻相等时间间隔的两段位移之差△S，等于物体运动加速度与时间间隔的平方的乘积aT2，或者用逐差法来求解。计算某点的瞬时速度问题，利用匀变速直线运动中某段过程的平均速度与其中间时刻的瞬时速度相等原理来求解。在这两个问题的计算上，学生很容易在时间处理、单位换算、计算准确以及结果表达要求等问题上犯错。

4.重视表述的规范

答题时的用词要规范，特别是要选填的问题，该选填“之前”的就不能简单填一个字“前”。还有，计算结果要求“保留几位有效数字”和“保留小数点后几位数字”的区别等。

物理学是一门严谨的学科，要想学好，必须重视对知识点的理解。而且，物理知识点间的联系非常密切，知识网络性很强，一道物理题基本上是几个知识点的综合，这就要求教师在授课过程中要加强对知识的整合，让学生更好地掌握，本题就是一个典型。同时，在教学过程中要多通过对答题情况的分析，制订有针对性的教学策略，达到提升教学成绩的效果。

参考文献：

肖程碑.验证机械能守恒定律.实验的评析.成都教育学院学报，2000（08）.

编辑 薛直艳