高中物理力学实验的解析与总结——以“验证机械能守恒定律”为例

王谢有

(甘肃省礼县一中 742200)

高中物理学科对学生的思维能力要求很高，很多高中物理概念需要学生通过实验进行解析和总结，才能将抽象的概念与形象的具体实验现象联系起来，深入理解物理知识的内涵，掌握物理本质规律.下面本文以高中力学主要实验“验证机械能守恒定律”为例，对高中物理力学实验进行解析与总结.

一、基于教材，实验解析

1.实验存在的问题

研究机械能守恒定律可以让学生通过实验更好地掌握机械能守恒定律，并能够运用实验结论进行有关物理问题的分析和解决，从而提高学生的物理学习效率.在教材中，该实验通过物体的自由落体运动带动纸带打点，来测量物体的速度和位移，从而验证物体重力势能与物体动能的转化关系.然而在学生实际实验的过程中，还是与教材中的实验存在一定偏差，主要表现为：学生对实验数据的测量和处理很难准确，实验误差大；学生对实验现象表述繁琐且不准确；不能计算得出机械能的具体数值，说服力不强.教材中还对其进行说明，实验不需要计算出具体数值，因而对物体质量用m代替，这就使得实验中带有m这个字母未知量，这让学生较难真正理解机械能守恒定律.因此，教师可以引导学生对实验进行改进和总结，让学生能够通过计算和推导，总结出机械能守恒的规律，掌握物理实验背后的本质.

2.实验原理解析

图1

二、实验操作，分析总结

1.实验过程分析

在实验原理解析的基础上，教师引导学生进行实际操作，对实验过程进行分析：(1)将实验器材依次进行安装、调试，让小球和光电门处于同一竖直线上；(2)接通数字计时器，对挡光时间进行记录，测量光电门在标尺上所在的高度；(3)移动光电门的位置，记录多组数据；(4)计算ΔEp和ΔEk，并进行比较，得出结论.与以往使用打点计时器完成实验相比，改进后的实验操作更加的简单，实验现象也更加明显，学生通过具体的数值进行分析和对比，更有利于学生深入理解机械能守恒定律的本质，从而提高学生的实验能力、操作能力和理解能力.

2.实验过程中需要注意的事项

通过学生的实际操作，对实验中需要注意的事项进行总结，以便更好地优化实验效果.(1)所选物体重量一定要重一些，这样物体的下落过程更接近于自由落体运动；(2)测量中小球下落的位置h时读数要尽量精确.(3)本实验中物体下落过程中存在一定的阻力作用，因此实际测量的动能增加量ΔEk会略小于势能减少量ΔEp，这个属于系统误差，是不可避免的；(4)在实验装置调试的时候，一定要让小球，两个光电门处于同一竖直线上，保证小球在通过光电门的时候不能碰到光电门；(5)保证标尺竖直，与小球下落的路径平行，减小实验误差.(6)重力加速度可以使用g=9.8 m/s2，小球质量可以选取易于计算的值，比如0.1 kg.

3.数据处理

4.误差分析

本实验的系统误差主要是，小球在下落过程中所受到的阻力，导致计算出来的小球减小的势能ΔEp要大于小球增加的动能ΔEk.小球的瞬时速度采用小球通过光电门的平均速度，实际的测量数值和理想数值还有一定的差距.

总而言之，在高中物理实验解析和总结过程中，教师要引导学生运用所学知识对实验进行分析，掌握实验的原理，并能够提出实验假设，运用物理方法进行实验设计和探究，并对实验步骤、方法、现象、误差以及数据处理等进行分析和总结，这样不仅可以更好地提升学生的学习能力，同时也有利于培养学生的实验能力，提升学生的物理核心素养.