氣墊導軌探究“功與速度變化的關系”

陳 輝 夏 周

(永康市第一中學,浙江 金華 321300)

1 教材實驗方案剖析

“探究功與速度變化的關系”是人教版高中《物理》必修2的一節探究性實驗課.意在引導學生感受“功與速度關系”的探究過程,并為下一節動能定理教學做鋪墊.

教材提供了兩個實驗方案如圖1.

圖1

(1) 小車速度太快、方向性差,常滑出軌道.

(2) 橡皮筋易老化斷裂,重復利用率低,不能完全恢復形變.

(4) 所打紙帶條數多,數據處理任務較重,偶然誤差大.

表1 某次實驗數據

表1是某次實驗數據，可見誤差很大,看不出正比的影子(如圖2),難以令人信服,基于以上分析教材兩方案操作要求高,數據分析繁,誤差大,耗時久,創意雖好,但可操作性不高.

圖2

2 氣墊導軌探究功與速度關系實驗

2.1 器材介紹

氣墊導軌,氣泵,光電門,光電計時器,滑塊,彈簧,固定桿如圖3所示.

圖3

器材要求：左側滑塊：質量150g，擋光板寬d，右端有3根柱形彈簧套桿.右側滑塊：固定于氣墊導軌右端，左端有3根柱形彈簧套桿.同型號彈簧4根，勁度系數500N/m，置于兩套桿之間.1根彈簧使用套桿1，2根彈簧使用套桿2和3，各1根.3根彈簧使用套桿1、2、3，4根彈簧使用套桿2和3，各2根.固定桿固定左側滑塊，光電計時器記錄擋光板經過時間.

2.2 實驗方案

基于教材實驗存在的問題,氣墊導軌實驗思路如下.

(1) 用滑塊代替小車,氣墊導軌代替木板,發揮氣墊導軌方向性好,滑塊運動穩定且摩擦阻力小等優點.

(2) 分別讓1根、2根、3根、4根彈簧對滑塊做功,將彈簧都固定在兩套桿間,壓縮量相同,保證做功相等,4次所做功分別為W0、2W0、3W0、4W0.

(3) 光電計時器測出滑塊擋光板經過光電門的時間t1、t2、t3、t4.

FLEx和SMILE作為一種較新的激光角膜基質手術，雖然對角膜損傷較小，但還是不可避免地會造成角膜組織結構不同程度的破壞，引起眼表功能和淚液炎癥因子的改變，造成術后干眼的可能。本研究發現FLEx組術后1周NIBUT較SMILE組短，FL程度較SMILE嚴重；術后1 d淚液中IL-1α濃度較SMILE組高。2組患者干眼癥狀較術前均有所加重，但組間差異均無統計學意義。

2.3 操作流程

(1) 按圖3安裝好器材,用酒精擦洗氣墊導軌表面,疏通氣孔,調節導軌水平旋鈕,減少滑塊運動阻力,打開氣泵輕推滑塊,經過兩個光電門時間相等,關閉氣泵.

(2) 將一根彈簧置于兩套桿間,固定桿固定左側滑塊.

(3) 打開氣泵電源,開啟光電計時器.

(4) 釋放固定桿,滑塊向左運動,讀出滑塊擋光板經過光電門的時間,重復3次.

(5) 彈簧換成2根、3根、4根,重復上述操作.

(6) 將所得數據填入表格,圖表分析.

2.4 數據分析

分別取1-4根彈簧，壓縮相同量對滑塊做功，每種數量操作3次,取平均值,數據如表2.

圖4

3 實驗教學反思

物理實驗教學的核心任務在于學生思想方法的形成、探究能力的培養.庫侖在探究庫侖定律公式時,還無法精確獲取所需電荷量,庫侖巧妙地利用“等分法”獲得所需電荷量,為發現庫侖定律鋪平了道路,用“控制變量法”找出了點電荷之間的作用規律.教材實驗利用橡皮筋“倍增法”,把難以計算的變力做功改為倍增法做功,本實驗繼續沿用“倍增法”思想方法基礎上,還采用了“比例法”,并與精密儀器相結合,注重物理思想方法的落實和實驗的可操作性的提升,簡化數據處理,提高實驗精度.但也存在一些值得反思和改進的地方.

(1) 彈簧規格的挑選是本實驗成功與否的關鍵,要盡量相同,即使規格相同也難免有細微差別,筆者經多種渠道采購各種型號彈簧,初步篩選出100多條,再反復試驗,挑出最理想的10條供實驗之用.

(2) 彈簧勁度系數大小要合適,偏軟為宜,保證小車以合適的速度通過光電門,勁度系數太大,壓縮困難,特別是當增加到3條、4條時,彈力很大,固定桿很難固定滑塊,由于非共點力產生向下的分力,迫使滑塊與氣墊導軌擠壓,阻力增加,影響實驗精度.

(3) 光電門離滑塊距離要合適,若離太近,滑塊速度還未穩定,若離太遠，由于阻力，滑塊的速度已有所損失.

(4) 擋光片寬度合適、以1cm寬較為理想,光電門的測量精度有限,太寬太窄都不理想,太寬速度不準確,太窄時間不準確.

本實驗原理清晰,思想方法獨特,數據分析簡潔,尤其精度達到ms數量級,學生驚訝高中實驗也可以做到這個程度.可以作為教材實驗基礎上的一個課外補充性實驗進行展示,能拓寬學生視野,激發學習興趣,提升學生物理核心素養中的科學探究意識,科學思想方法,形成科學思維大有裨益.