“探究功與速度變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

張 宇

(上海市復(fù)旦初級(jí)中學(xué) 上海 200052)(收稿日期：2016-05-19)

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“探究功與速度變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

張 宇

(上海市復(fù)旦初級(jí)中學(xué) 上海 200052)(收稿日期：2016-05-19)

討論了人教版物理“探究功與速度變化的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)方案，并針對(duì)方案的操作難點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置提出改進(jìn)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)“動(dòng)能和動(dòng)能定理”的理解．

功 速度變化 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

“探究功與速度變化的關(guān)系”是人教版《物理·必修2》第七章中的一節(jié)實(shí)驗(yàn)探究課．學(xué)生學(xué)習(xí)該實(shí)驗(yàn)之前已具備功能轉(zhuǎn)化關(guān)系，重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能的表述等知識(shí)基礎(chǔ)，課程目標(biāo)是通過實(shí)驗(yàn)學(xué)生認(rèn)識(shí)功和速度變化的關(guān)系，為下節(jié)課定量描述動(dòng)能和動(dòng)能定理打下基礎(chǔ)．

1 教材實(shí)驗(yàn)分析

教材中提供了兩種實(shí)驗(yàn)方案：分別從恒力做功與速度變化的關(guān)系和變力做功與速度變化關(guān)系兩個(gè)角度對(duì)這一規(guī)律進(jìn)行討論．由于變力做功的求解在高中階段不被要求，教材中的實(shí)驗(yàn)方案二則巧妙地避開了這一問題，采用一條橡皮筋所做的功為W，兩條橡皮筋所做的功為2W，以此類推，把功的定量表示以橡皮筋的數(shù)量替代，這是極具創(chuàng)新的一種思維方法，其設(shè)計(jì)思想非常值得推廣．

按照教材提供的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖1所示.

圖1 教材提供裝置

實(shí)驗(yàn)操作難度較大，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)小車直接放在木板上，在橡皮筋的作用下運(yùn)動(dòng)軌跡很難保證是一條直線，當(dāng)橡皮筋數(shù)量倍增時(shí)，橡皮筋對(duì)小車所做的功不一定按照比例倍增；

(2)實(shí)驗(yàn)中只在小車前方固定橡皮筋，且難以調(diào)整橡皮筋形成的平面與運(yùn)動(dòng)平面平行，小車運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于彈力的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩會(huì)發(fā)生跳躍；

(3)單一橡皮筋與小車相連，每一橡皮筋的相對(duì)形變較大，當(dāng)數(shù)量增多時(shí)，小車加速后的速度較大，紙帶上無法顯示勻速運(yùn)動(dòng)階段，難以測(cè)量出末速度；

(4)市面上的橡皮筋往往一致性較差，帶來的實(shí)驗(yàn)誤差較大；

(5)使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)定速度，計(jì)算量大，耗時(shí)長(zhǎng)且實(shí)驗(yàn)精度低．

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)思路

本文將在保持實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新性的基礎(chǔ)上，針對(duì)提出的問題進(jìn)行如下改進(jìn)：

(1)構(gòu)造等效橡皮筋，減小系統(tǒng)誤差．將多條橡皮筋串聯(lián)在一起等效為實(shí)驗(yàn)中使用的一條橡皮筋，減小橡皮筋彈性系數(shù)差異大引起的系統(tǒng)誤差．且串聯(lián)使用時(shí)，單一橡皮筋的相對(duì)形變較小，滑塊受力較為穩(wěn)定．

(2)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)方向，確保直線運(yùn)動(dòng)．將力學(xué)軌道及配套小車更換為氣墊導(dǎo)軌和滑塊，并將滑塊兩端分別與等效橡皮筋相連(橡皮筋另一端與氣墊導(dǎo)軌兩端相連)，變單向共點(diǎn)力為同一直線上雙向共點(diǎn)力，保證小車運(yùn)動(dòng)軌跡定為直線．

圖2 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)裝置

(3)改變速度測(cè)量方式，提高實(shí)驗(yàn)效率．將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器更換為光電門，通過數(shù)字計(jì)時(shí)器直接讀取滑塊通過零點(diǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度，減少運(yùn)算量并且提高實(shí)驗(yàn)精度．

3 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案

實(shí)驗(yàn)器材：滑塊，氣墊導(dǎo)軌，光電門，橡皮筋.

實(shí)驗(yàn)裝置：如圖2所示.

實(shí)驗(yàn)步驟：

(1)打開通氣閥門，將滑塊放置在導(dǎo)軌上，調(diào)節(jié)導(dǎo)軌水平．

(3)在導(dǎo)軌兩端各連接一條等效橡皮筋，橡皮筋另一端與滑塊兩端相連．

(4)水平撥動(dòng)滑塊偏離初始位置，將滑塊趨于靜止的位置記為零點(diǎn)，作為滑塊運(yùn)動(dòng)的擋光位置．

(5)水平移動(dòng)滑塊，使其在偏離零點(diǎn)位置20 cm處自由釋放，記錄滑塊在零點(diǎn)位置的瞬時(shí)速度v．重復(fù)測(cè)量多次．

(6)在滑塊兩端各增加一條等效橡皮筋，即兩端連接兩條橡皮筋，重新確定零點(diǎn)位置，重復(fù)步驟(5)．

(7)滑塊兩端依次連接3條、4條、5條橡皮筋，重復(fù)步驟(5)．

(8)移走滑塊，關(guān)閉通氣閥門，實(shí)驗(yàn)結(jié)束．

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：如表1所示.

表1 滑塊在零點(diǎn)位置處的瞬時(shí)速度

實(shí)驗(yàn)注意點(diǎn)：

(1)橡皮筋串聯(lián)后，雙手應(yīng)沿相反方向拉伸橡皮筋，使接口處張緊并使其柔軟，處于較佳工作狀態(tài)；

(2)串聯(lián)橡皮筋的數(shù)量由氣墊導(dǎo)軌的長(zhǎng)度決定；

(3)固定好氣墊導(dǎo)軌底座，保證實(shí)驗(yàn)過程穩(wěn)定；

(4)增加等效橡皮筋數(shù)量時(shí)，重新確定零點(diǎn)位置；

(5)橡皮筋使用老化后，測(cè)得的數(shù)據(jù)更為可靠，故應(yīng)重復(fù)測(cè)量零點(diǎn)處速度多次，提升實(shí)驗(yàn)精度．

4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)分析

實(shí)驗(yàn)記錄了連接不同數(shù)量橡皮筋時(shí)滑塊通過零點(diǎn)位置時(shí)的速度，并且為了測(cè)量精確，每個(gè)零點(diǎn)位置處的速度測(cè)量10次，然后取平均值得到v1，v2，v3，v4，v5，分別對(duì)應(yīng)1條、2條、3條、4條、5條橡皮筋做功W，2W，3W，4W，5W．經(jīng)線性擬合后，得到W-v2圖像，如圖3所示，且線性相關(guān)系數(shù)高達(dá)99.89%，充分說明實(shí)驗(yàn)可行．

圖3 功與速度的平方關(guān)系圖像

本文介紹的實(shí)驗(yàn)方案在堅(jiān)持教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想的前提下，借助中學(xué)物理常用實(shí)驗(yàn)器材氣墊導(dǎo)軌，光電門，以及通過多根橡皮筋串聯(lián)構(gòu)成等效橡皮筋對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)．實(shí)驗(yàn)器材簡(jiǎn)單易得，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便巧妙，提升了實(shí)驗(yàn)精度和教學(xué)效率．利用學(xué)生已知的彈性勢(shì)能知識(shí)解決新問題，承前啟后，為動(dòng)能定理的理解做好鋪墊，符合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)且有助于創(chuàng)新思維和探究能力的培養(yǎng)．

1 肖煦平.“探究功與速度變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的探究與改進(jìn).中學(xué)物理教學(xué)參考，2011,40(3)

2 劉升，李志強(qiáng).“探究功與速度變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn).中學(xué)物理教學(xué)參考，2013,42(10)