《恒力做功與物體動能變化》實驗的改進

王連影

【摘 要】在分析了有關資料并結合自己的實驗研究基礎上，對我校高中現階段物理教科書（司南版必修二）《恒力做功與物體動能變化》進行了理論研究并針對實驗的缺點進行了改進。

【關鍵詞】動能定理；高中物理實驗；實驗改進

0 前言

高一下學期物理實驗 “恒力做功與動能改變的關系”這個實驗的結果誤差很大而且步驟很繁瑣。也是困擾物理教師的一個難題。于是我和學生進行了一系列的研究，我們找了不同版本的教材，除了《司南版》只看到《粵教版》有這個實驗，但它的實驗方法也有缺陷。我們又查找了相關資料未見對此實驗的改進學生和老師的齊心協力下終于做出了比較理想的實驗裝置。我們的研究過程如下：

1 研究方法

1.1 資料收集法

在萬方數據庫和百度等網站上搜索和查詢有關“恒力做功與動能改變的關系”實驗版本和類似實驗改進的研究。

1.2 實驗法

自己動手，對不同版本的“恒力做功與動能改變的關系”的實驗進行實驗，發現其中存在的眾多問題。一一想出改進的方法。

1.3 對比法

將我們設計的實驗與各個版本現有的實驗數據進行比較，最終證明自己設計的實驗更能說明恒力做功與動能改變的關系。

2 研究過程

2.1查找其他版本有關實驗資料

人教版：沒有相關實驗，只有直接探究“功與速度變化的關系”實驗：

滬教版：這個實驗得出的數據計算出來的速度是比較精確的，實驗中使用了光電門，不需要平衡摩擦力了，但數據的處理還是比較煩瑣，不足之處是這一套儀器成本比較高做分組實驗的話不是每個學校都有條件。若是采用“探究加速度與力、質量的關系”中的方法，則需要平衡摩擦力，這樣就給實驗增加了難度，還要求砝碼的質量要遠大于滑塊的質量。

粵教版：粵教版的實驗探究指導能讓學生在問題的提示下，將實驗探究過程很好的體驗一下，該實驗方案和“驗證機械能守恒”方案類似，對于自由下落的數據處理，學生有前面的基礎應該不難完成。

司南版：原理與滬教版如出一轍，這個實驗需要平衡摩擦力，這一點是很難做到的，平衡不好會給實驗帶來很大的誤差，跟預想的結論相差較遠，而且數據的處理也需要很復雜的計算。用砝碼的重力代替對滑塊的拉力也是有條件的，是一種理想近似，也會對實驗產生較大的誤差。

綜上，我們針對使用范圍比較廣泛的司南版和粵教版的實驗進行了實驗并對實驗的優缺點進行了討論。

2.2各版本實驗器材

粵教版的實驗器材：

鐵架臺、打點計時器、紙帶夾、紙帶、重錘、天平。

司南版的實驗器材：

長木板、打點計時器、小車、砝碼、鉤碼、小木塊、紙帶、細線、天平。

我設計的實驗器材：

2.2.1測滑動摩擦因數裝置：木板、布條。（自己動手制作的）

2.2.2基本實驗裝置：鐵架臺、打點計時器、紙帶夾、紙帶、重錘、測滑動摩擦裝置、天平。

2.3 對不同版本的方案進行實驗

2.3.1粵教版

步驟：①用天平測出重錘的質量；②將實驗器材如圖安裝；③將重錘拉到距離打點計時器最近的位置，先打開打點計時器開關，然后放下重錘，令其自由下落；④分析紙帶，收集數據；⑤得出結論。

實驗缺陷分析：

2.3.1.1紙帶穿過打點計時器時摩擦不可避免，但我們一般情況下都忽略不計，這也形成了實驗誤差的一個來源。

2.3.1.2此實驗要想獲得多組數據就要改變重物的質量，現有實驗器材無法很方便的改變重物的質量，所以無法獲得多組數據。

2.3.2司南版（由于滬教版與司南版原理相似，所以以司南版為例）

步驟：①用天平測出重錘的質量；②將實驗器材如圖安裝；③將小車放在一端帶有定滑輪的平板上，把平板不帶滑輪的一端墊高，在小車后面掛一條紙帶，穿過打點計時器，讓小車沒有牽引力的情況下下滑，同時開啟打點計時器；④分析小車不受牽引力時打下的紙帶，觀察它上面的點之間的距離是否相等，若不相等，則重新進行步驟（若相等，則進行下一步）；⑤將小車放在一端帶有定滑輪的平板上，在小車后面掛一條紙帶，穿過打點計時器，另一端掛上鉤碼，開啟打點計時器，放開小車令其下滑；⑥改變鉤碼的質量，多做幾組實驗；⑦記錄數據，對數據進行分析；⑧得出結論。

表格三數據仍驗證了表格二的結論。但第二組數據說明即使我們最大可能的平衡摩擦力，它的誤差也會隨著M的增大而增大，但實驗要求我們M要遠遠大與m。而m太小系統儀器也有摩擦，使m無法拉動小車M，所以很多同學往往都在平衡摩擦力過程中，導致實驗很大誤差。

總結如下：

2.3.2.1反復的平衡摩擦力，浪費了大量的上課時間并且浪費紙帶。（因為每一次判斷是否把摩擦力平衡都要打紙帶，直到看到紙帶上的點間距大致相等。）

2.3.2.2實驗中老師在講時要求小車的質量M要遠遠大于所掛鉤碼的質量m。遠遠大于是一個比較模糊的概念，究竟怎樣才叫遠遠大于呢？所以不管怎樣，在實驗中都不可避免的造成了很大的誤差。

2.3.2.3在用紙帶穿過打點計時器時，細繩繞過定滑輪時，紙帶與打點計時器和定滑輪之間也有一定的摩擦，如果m太輕就使紙帶無法克服這些摩擦不能運動但要滿足M遠遠大于m，m又不能太大這也不可避免的增大了誤差。

綜合以上因素，很多同學在做完實驗進行數據分析時，都感覺這個實驗誤差太大，甚至對結論產生質疑，使實驗達不到很好的效果。

2.4提出實驗改進方案，動手實驗

2.4.1 原理：

我設計的實驗是利用重錘的重力與紙帶受到的動摩擦力的合力充當恒力，通過改變紙帶受到的動摩擦力改變恒力，由此可得到多組數據。

f阻=uN；G=mg；F恒=G-2f阻

通過改變壓力N從而改變F恒，以獲得多組數據。

我們將整個實驗轉移到鐵架臺上。重錘下落時，紙帶由于被兩塊夾板夾住，受到一個摩擦力，通過我設計的測動摩擦力，可以得到一個確切的動摩擦力大小，進而可算出恒力大小。運用公式W=Fs便可求出恒力做的功。通過打點計時器并分析紙帶可得出重錘的速度，運用公式Ek=（1/2）mV^2 可求出動能的變化△EK。最后比較W與△EK的大小便可得出恒力做功與動能變化的關系。

2.4.2 測動摩擦力的裝置：

如圖1，夾板2固定在鐵架臺上，夾板1被彈簧測力計水平拉著，紙帶穿在兩夾板之間，彈簧測力計的示數便是紙帶受到的壓力N。實驗前測出夾板與紙帶的動摩擦系數，由公式可得出摩擦力。

2.4.3示意圖（見圖2）

2.44 實驗步驟：①測出測摩擦力裝置與紙帶間的動摩擦系數；②用天平測出重錘的質量；③將裝置如圖安裝；④調節彈簧測力計的示數并記下；⑤將重錘拉到距離打點計時器最近的位置，先打開打點計時器開關，然后放下重錘，令其自由下落；⑥改變彈簧測力計的示數，多測幾組數據；⑦記錄數據，對數據進行分析；⑧得出結論。

2.4.5 注意事項

①紙帶由于與測動摩擦力的裝置是雙面接觸，所以紙帶受到的摩擦力有兩個；②由于紙帶后半段未與測動摩擦力的裝置接觸，所以后半段不受動摩擦力，后半段紙帶不能用于分析。

3 實驗的優點

3.1不需像司南版實驗那樣平衡摩擦力，所以更加方便和節省紙帶

3.2誤差只由空氣阻力與紙帶和打點計時器接觸時產生的動摩擦力影響，所以誤差小。

3.3重錘受到的恒力可控可調，所以可以得到多組數據，更有利于實驗的探究，而不僅僅停留于驗證的水平上

3.4實驗數據清晰明了，相對司南版計算量較小。

4 展望

我們設計的實驗方案不僅可以獲得多組數據，也可以很大程度的減小誤差。若以后得到采納，批量生產，動摩擦因數可以在儀器上直接給出，這樣可以更方便和規范。

參考文獻：

[1]韓峰.“多版本教材探究動能定理實驗的處理對比分析”（棗莊山亭區教研室）.

[2]束炳如.何潤偉.物理，2005

[3]廖伯琴.物理探究式教學設計與案例分析，2003.

[4]廖伯琴.普通高中課程標準實驗教科書.物理，2004.