“恒力做功與動能改變的關系”實驗及改進

一、實驗概況

本實驗為普通高中課程標準實驗教科書司南版《物理》必修2的第二章第一節的探究實驗，其中課本實驗方案如下。

（1）用細線將木板上的小車通過一個定滑輪與懸吊的砝碼相連。改變木板的傾角，以小車重力的一個分力平衡小車及紙帶受到的摩擦力，使小車做勻速運動。

（2）在細繩另一端掛上砝碼，使小車的質量遠大于砝碼的質量，小車在細線的拉力作用下做勻加速運動。由于砝碼質量很小，可以認為小車所受拉力F的大小等于砝碼所受的重力大小。

（3）把紙帶的一端固定在小車的后面，另一端穿過打點計時器，接通電源，放開小車，讓小車拖著紙帶運動，打點計時器就在紙帶上打下一系列的點。

（4）重復以上實驗。選擇一條點跡清晰的紙帶進行數據分析，由紙帶可以找到位移和時間的信息，由砝碼可以知道小車所受的恒力。尋找兩者之間的關系，從而得出動能定理。

二、實驗的缺陷及改進方法

（一）缺陷

1.由于木板各處的粗糙程度不完全相同，小車直接放在木板上，很難保證小車在一條直線上運動而導致較大的誤差。

2.該實驗通過測量砝碼所受的重力來確定小車所受的合外力，而事實上砝碼所受的重力與小車所受的拉力并不相等。其真實關系推證如下：小車加速運動時，砝碼受力是不平衡的，它具有與小車同樣大小的加速度。設車與砝碼的加速度大小為a，以整個系統為研究對象，由牛頓第二定律可得：mg=（M+m）a，以小車為研究對象，由牛頓第二定律F=Ma可得：F=MM+m·mg=11+mM ·mg。砝碼所受的重力與小車所受的拉力并不相等。只有當mM時，小車所受的拉力才與砝碼所受的重力近似相等。但畢竟還是不相等，所以必然會產生誤差。

（二）改進的方法

1.對于第一個缺陷，為確保小車在一條直線上運動，可采用“雙保險”：（1）選擇兩根平行的鋁合金軌道。這樣的裝置，首先各處的粗糙程度接近完全相同，同時也可以有效避免出現小車運動過程中軌跡不穩定的現象；（2）選擇有輪緣的輪子（就像火車輪子那樣）。

2.對于第二個缺陷，可將研究對象由小車轉換為小車和砝碼組成的系統，則實驗中對砝碼的質量就沒有要求，這樣由于砝碼質量的大小引起的誤差便可迎刃而解。

（責任編輯 黃春香）