對“探究功與速度變化的關系”實驗的分析及改進

鄧慶波

(黃石市二中 湖北 黃石 435003)

人教版普通高中課程標準實驗教科書《物理·必修2》在“探究功與速度變化的關系”的實驗中，采用的是橡皮筋的彈力做功使小車獲得動能，以探究橡皮筋彈力做功與小車速度的關系，如圖1.

圖1

該實驗精妙之處就在于回避了功的計算.橡皮筋的彈力做功是變力做功，不能用功的公式W=Fscosα計算.但在位移相同的情況下，如果一條橡皮筋對小車做功為W時，則兩條橡皮筋對小車做的功就是2W，三條橡皮筋對小車做功為3W，依次類推.這種處理方法，把不便于用公式進行計算的橡皮筋對小車的彈力的功轉化為用橡皮筋的條數代替.實驗設計新穎、巧妙，但也有不足之處，分析如下.

1 原實驗的不足

(1)實驗對橡皮筋要求高.實驗中選用多條橡皮筋時，其長度、粗細不一，使得橡皮筋的拉力對小車做功與橡皮筋的條數不成正比.

(2)由于實驗器材和每次操作過程的離散性，特別是在改變橡皮筋的條數后，紙帶上反映勻速運動的點的位置(即小車受力為零的位置)不一定都在預先設定的點位置之后.

(3)實驗中橡皮筋增至4根以上時，由于彈力過大，小車速度過大，紙帶上打出的點數少，以致找不出小車勻速運動時所打的點，還容易出現小車損壞等情況.

(4)在增加橡皮筋條數時，耗時較多，還很難達到實驗要求.

2 實驗的改進

為了不影響實驗的效果和進程，讓實驗更具有可操作性，可對該實驗進行改進.

(1)改進方案

采用一端裝有輕質滑輪的長木板，用一根細繩一端系在小車上，另一端通過滑輪掛上鉤碼.用墊塊將長木板固定有定滑輪的一端墊起，調整長木板的傾角，直到輕推小車后，小車沿長木板向下做勻速直線運動.然后保持長木板的傾角不變，取下細線和鉤碼，讓小車沿長木板向下做勻加速直線運動.同時，打點計時器在紙帶上打出一系列的點.如圖2.

圖2

改進后小車在勻加速下滑過程中所受合外力恒定，其大小等于鉤碼重力大小.我們探究小車合外力做功與小車速度的關系.小車合外力做功等于鉤碼重力大小與小車位移的乘積，小車位移可直接從紙帶上測量，小車速度也可從紙帶上進行求解.

(2)改進實驗的優點

1)巧妙地將小車合外力轉化為恒力處理，小車合外力的功容易計算;

2)實驗誤差小，易于操作，而又不失巧妙與創新;

3)該改進還可用于牛頓第二定律的實驗研究;

4)實驗數據處理方法學生熟悉，實驗數據的處理方便快捷，誤差小.