張 宇

(上海市復(fù)旦初級中學(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”實驗改進

張 宇

(上海市復(fù)旦初級中學(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”的實驗方案，并針對方案的操作難點對實驗裝置提出改進，促進學(xué)生對“動能和動能定理”的理解．

功 速度變化 實驗改進

“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)實驗探究課．學(xué)生學(xué)習(xí)該實驗之前已具備功能轉(zhuǎn)化關(guān)系，重力勢能、彈性勢能的表述等知識基礎(chǔ)，課程目標(biāo)是通過實驗學(xué)生認識功和速度變化的關(guān)系，為下節(jié)課定量描述動能和動能定理打下基礎(chǔ)．

1 教材實驗分析

教材中提供了兩種實驗方案：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)系兩個角度對這一規(guī)律進行討論．由于變力做功的求解在高中階段不被要求，教材中的實驗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)計思想非常值得推廣．

按照教材提供的裝置進行實驗，如圖1所示.

圖1 教材提供裝置

實驗操作難度較大，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

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

(2)實驗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動平面平行，小車運動時，由于彈力的轉(zhuǎn)動力矩會發(fā)生跳躍；

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

(4)市面上的橡皮筋往往一致性較差，帶來的實驗誤差較大；

(5)使用打點計時器測定速度，計算量大，耗時長且實驗精度低．

2 實驗改進思路

本文將在保持實驗設(shè)計創(chuàng)新性的基礎(chǔ)上，針對提出的問題進行如下改進：

(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)在一起等效為實驗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，單一橡皮筋的相對形變較小，滑塊受力較為穩(wěn)定．

(2)穩(wěn)定運動方向，確保直線運動．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)，變單向共點力為同一直線上雙向共點力，保證小車運動軌跡定為直線．

圖2 改進后實驗裝置

(3)改變速度測量方式，提高實驗效率．將打點計時器更換為光電門，通過數(shù)字計時器直接讀取滑塊通過零點時的運動速度，減少運算量并且提高實驗精度．

3 實驗改進方案

實驗器材：滑塊，氣墊導(dǎo)軌，光電門，橡皮筋.

實驗裝置：如圖2所示.

實驗步驟：

(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)水平撥動滑塊偏離初始位置，將滑塊趨于靜止的位置記為零點，作為滑塊運動的擋光位置．

(5)水平移動滑塊，使其在偏離零點位置20 cm處自由釋放，記錄滑塊在零點位置的瞬時速度v．重復(fù)測量多次．

(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，實驗結(jié)束．

實驗數(shù)據(jù)：如表1所示.

表1 滑塊在零點位置處的瞬時速度

實驗注意點：

(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)軌的長度決定；

(3)固定好氣墊導(dǎo)軌底座，保證實驗過程穩(wěn)定；

(4)增加等效橡皮筋數(shù)量時，重新確定零點位置；

(5)橡皮筋使用老化后，測得的數(shù)據(jù)更為可靠，故應(yīng)重復(fù)測量零點處速度多次，提升實驗精度．

4 實驗改進分析

實驗記錄了連接不同數(shù)量橡皮筋時滑塊通過零點位置時的速度，并且為了測量精確，每個零點位置處的速度測量10次，然后取平均值得到v1，v2，v3，v4，v5，分別對應(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99.89%，充分說明實驗可行．

圖3 功與速度的平方關(guān)系圖像

本文介紹的實驗方案在堅持教材實驗設(shè)計思想的前提下，借助中學(xué)物理常用實驗器材氣墊導(dǎo)軌，光電門，以及通過多根橡皮筋串聯(lián)構(gòu)成等效橡皮筋對實驗裝置進行改進．實驗器材簡單易得，實驗操作簡便巧妙，提升了實驗精度和教學(xué)效率．利用學(xué)生已知的彈性勢能知識解決新問題，承前啟后，為動能定理的理解做好鋪墊，符合學(xué)生認知特點且有助于創(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”實驗的探究與改進.中學(xué)物理教學(xué)參考，2011,40(3)

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