王連影

【摘 要】在分析了有關(guān)資料并結(jié)合自己的實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，對(duì)我校高中現(xiàn)階段物理教科書(shū)（司南版必修二）《恒力做功與物體動(dòng)能變化》進(jìn)行了理論研究并針對(duì)實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)。

【關(guān)鍵詞】動(dòng)能定理；高中物理實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

0 前言

高一下學(xué)期物理實(shí)驗(yàn) “恒力做功與動(dòng)能改變的關(guān)系”這個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果誤差很大而且步驟很繁瑣。也是困擾物理教師的一個(gè)難題。于是我和學(xué)生進(jìn)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(gè)實(shí)驗(yàn)，但它的實(shí)驗(yàn)方法也有缺陷。我們又查找了相關(guān)資料未見(jiàn)對(duì)此實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)學(xué)生和老師的齊心協(xié)力下終于做出了比較理想的實(shí)驗(yàn)裝置。我們的研究過(guò)程如下：

1 研究方法

1.1 資料收集法

在萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)和百度等網(wǎng)站上搜索和查詢(xún)有關(guān)“恒力做功與動(dòng)能改變的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)版本和類(lèi)似實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的研究。

1.2 實(shí)驗(yàn)法

自己動(dòng)手，對(duì)不同版本的“恒力做功與動(dòng)能改變的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其中存在的眾多問(wèn)題。一一想出改進(jìn)的方法。

1.3 對(duì)比法

將我們?cè)O(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)與各個(gè)版本現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，最終證明自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)更能說(shuō)明恒力做功與動(dòng)能改變的關(guān)系。

2 研究過(guò)程

2.1查找其他版本有關(guān)實(shí)驗(yàn)資料

人教版：沒(méi)有相關(guān)實(shí)驗(yàn)，只有直接探究“功與速度變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)：

滬教版：這個(gè)實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)的速度是比較精確的，實(shí)驗(yàn)中使用了光電門(mén)，不需要平衡摩擦力了，但數(shù)據(jù)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(shí)驗(yàn)的話不是每個(gè)學(xué)校都有條件。若是采用“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”中的方法，則需要平衡摩擦力，這樣就給實(shí)驗(yàn)增加了難度，還要求砝碼的質(zhì)量要遠(yuǎn)大于滑塊的質(zhì)量。

粵教版：粵教版的實(shí)驗(yàn)探究指導(dǎo)能讓學(xué)生在問(wèn)題的提示下，將實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程很好的體驗(yàn)一下，該實(shí)驗(yàn)方案和“驗(yàn)證機(jī)械能守恒”方案類(lèi)似，對(duì)于自由下落的數(shù)據(jù)處理，學(xué)生有前面的基礎(chǔ)應(yīng)該不難完成。

司南版：原理與滬教版如出一轍，這個(gè)實(shí)驗(yàn)需要平衡摩擦力，這一點(diǎn)是很難做到的，平衡不好會(huì)給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)很大的誤差，跟預(yù)想的結(jié)論相差較遠(yuǎn)，而且數(shù)據(jù)的處理也需要很復(fù)雜的計(jì)算。用砝碼的重力代替對(duì)滑塊的拉力也是有條件的，是一種理想近似，也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生較大的誤差。

綜上，我們針對(duì)使用范圍比較廣泛的司南版和粵教版的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了討論。

2.2各版本實(shí)驗(yàn)器材

粵教版的實(shí)驗(yàn)器材：

鐵架臺(tái)、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶夾、紙帶、重錘、天平。

司南版的實(shí)驗(yàn)器材：

長(zhǎng)木板、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、小車(chē)、砝碼、鉤碼、小木塊、紙帶、細(xì)線、天平。

我設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)器材：

2.2.1測(cè)滑動(dòng)摩擦因數(shù)裝置：木板、布條。（自己動(dòng)手制作的）

2.2.2基本實(shí)驗(yàn)裝置：鐵架臺(tái)、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶夾、紙帶、重錘、測(cè)滑動(dòng)摩擦裝置、天平。

2.3 對(duì)不同版本的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

2.3.1粵教版

步驟：①用天平測(cè)出重錘的質(zhì)量；②將實(shí)驗(yàn)器材如圖安裝；③將重錘拉到距離打點(diǎn)計(jì)時(shí)器最近的位置，先打開(kāi)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器開(kāi)關(guān)，然后放下重錘，令其自由下落；④分析紙帶，收集數(shù)據(jù)；⑤得出結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)缺陷分析：

2.3.1.1紙帶穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)摩擦不可避免，但我們一般情況下都忽略不計(jì)，這也形成了實(shí)驗(yàn)誤差的一個(gè)來(lái)源。

2.3.1.2此實(shí)驗(yàn)要想獲得多組數(shù)據(jù)就要改變重物的質(zhì)量，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)器材無(wú)法很方便的改變重物的質(zhì)量，所以無(wú)法獲得多組數(shù)據(jù)。

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(cè)出重錘的質(zhì)量；②將實(shí)驗(yàn)器材如圖安裝；③將小車(chē)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(chē)后面掛一條紙帶，穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，讓小車(chē)沒(méi)有牽引力的情況下下滑，同時(shí)開(kāi)啟打點(diǎn)計(jì)時(shí)器；④分析小車(chē)不受牽引力時(shí)打下的紙帶，觀察它上面的點(diǎn)之間的距離是否相等，若不相等，則重新進(jìn)行步驟（若相等，則進(jìn)行下一步）；⑤將小車(chē)放在一端帶有定滑輪的平板上，在小車(chē)后面掛一條紙帶，穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，另一端掛上鉤碼，開(kāi)啟打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，放開(kāi)小車(chē)令其下滑；⑥改變鉤碼的質(zhì)量，多做幾組實(shí)驗(yàn)；⑦記錄數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；⑧得出結(jié)論。

表格三數(shù)據(jù)仍驗(yàn)證了表格二的結(jié)論。但第二組數(shù)據(jù)說(shuō)明即使我們最大可能的平衡摩擦力，它的誤差也會(huì)隨著M的增大而增大，但實(shí)驗(yàn)要求我們M要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大與m。而m太小系統(tǒng)儀器也有摩擦，使m無(wú)法拉動(dòng)小車(chē)M，所以很多同學(xué)往往都在平衡摩擦力過(guò)程中，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)很大誤差。

總結(jié)如下：

2.3.2.1反復(fù)的平衡摩擦力，浪費(fèi)了大量的上課時(shí)間并且浪費(fèi)紙帶。（因?yàn)槊恳淮闻袛嗍欠癜涯Σ亮ζ胶舛家蚣垘?，直到看到紙帶上的點(diǎn)間距大致相等。）

2.3.2.2實(shí)驗(yàn)中老師在講時(shí)要求小車(chē)的質(zhì)量M要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所掛鉤碼的質(zhì)量m。遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于是一個(gè)比較模糊的概念，究竟怎樣才叫遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于呢？所以不管怎樣，在實(shí)驗(yàn)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(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，細(xì)繩繞過(guò)定滑輪時(shí)，紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和定滑輪之間也有一定的摩擦，如果m太輕就使紙帶無(wú)法克服這些摩擦不能運(yùn)動(dòng)但要滿足M遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xué)在做完實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，都感覺(jué)這個(gè)實(shí)驗(yàn)誤差太大，甚至對(duì)結(jié)論產(chǎn)生質(zhì)疑，使實(shí)驗(yàn)達(dá)不到很好的效果。

2.4提出實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案，動(dòng)手實(shí)驗(yàn)

2.4.1 原理：

我設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是利用重錘的重力與紙帶受到的動(dòng)摩擦力的合力充當(dāng)恒力，通過(guò)改變紙帶受到的動(dòng)摩擦力改變恒力，由此可得到多組數(shù)據(jù)。

f阻=uN；G=mg；F恒=G-2f阻

通過(guò)改變壓力N從而改變F恒，以獲得多組數(shù)據(jù)。

我們將整個(gè)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)移到鐵架臺(tái)上。重錘下落時(shí)，紙帶由于被兩塊夾板夾住，受到一個(gè)摩擦力，通過(guò)我設(shè)計(jì)的測(cè)動(dòng)摩擦力，可以得到一個(gè)確切的動(dòng)摩擦力大小，進(jìn)而可算出恒力大小。運(yùn)用公式W=Fs便可求出恒力做的功。通過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器并分析紙帶可得出重錘的速度，運(yùn)用公式Ek=（1/2）mV^2 可求出動(dòng)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(dòng)能變化的關(guān)系。

2.4.2 測(cè)動(dòng)摩擦力的裝置：

如圖1，夾板2固定在鐵架臺(tái)上，夾板1被彈簧測(cè)力計(jì)水平拉著，紙帶穿在兩夾板之間，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)便是紙帶受到的壓力N。實(shí)驗(yàn)前測(cè)出夾板與紙帶的動(dòng)摩擦系數(shù)，由公式可得出摩擦力。

2.4.3示意圖（見(jiàn)圖2）

2.44 實(shí)驗(yàn)步驟：①測(cè)出測(cè)摩擦力裝置與紙帶間的動(dòng)摩擦系數(shù)；②用天平測(cè)出重錘的質(zhì)量；③將裝置如圖安裝；④調(diào)節(jié)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)并記下；⑤將重錘拉到距離打點(diǎn)計(jì)時(shí)器最近的位置，先打開(kāi)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器開(kāi)關(guān)，然后放下重錘，令其自由下落；⑥改變彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)，多測(cè)幾組數(shù)據(jù)；⑦記錄數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；⑧得出結(jié)論。

2.4.5 注意事項(xiàng)

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

3 實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

3.1不需像司南版實(shí)驗(yàn)?zāi)菢悠胶饽Σ亮Γ愿臃奖愫凸?jié)省紙帶

3.2誤差只由空氣阻力與紙帶和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接觸時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)摩擦力影響，所以誤差小。

3.3重錘受到的恒力可控可調(diào)，所以可以得到多組數(shù)據(jù)，更有利于實(shí)驗(yàn)的探究，而不僅僅停留于驗(yàn)證的水平上

3.4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)清晰明了，相對(duì)司南版計(jì)算量較小。

4 展望

我們?cè)O(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案不僅可以獲得多組數(shù)據(jù)，也可以很大程度的減小誤差。若以后得到采納，批量生產(chǎn)，動(dòng)摩擦因數(shù)可以在儀器上直接給出，這樣可以更方便和規(guī)范。

參考文獻(xiàn)：

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