梅宇航

(江蘇省鎮(zhèn)江第一中學 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

1 相關背景分析

“實驗：探究功與速度變化的關系”力圖通過“功”這一橋梁把速度與動能聯(lián)系起來，為下一節(jié)研究動能與動能定理提供鋪墊，人民教育出版社出版的2010年4月第3版高一《物理·必修2》教材中給出兩個參考案例：

參考案例一如圖1所示，由重物提供牽引力，通過改變重物質(zhì)量或小車運動的距離，改變牽引力做功；參考案例二如圖2所示，由橡皮筋提供牽引力，通過改變橡皮筋的條數(shù)，用倍增的原理，研究牽引力對小車做的功與小車速度變化的關系.

圖1 由重物提供牽引力

圖2 由橡皮筋提供牽引力

但在實際教學中，筆者發(fā)現(xiàn)有以下幾點不足：

(1)兩個參考案例均需要先平衡摩擦力，而多次調(diào)試木板傾角費時費力，直接影響到學生探究的積極性.

(2)為求得速度，兩個參考案例均用到了高中物理中司空見慣的打點計時器，但是本實驗至少要5～6條紙帶，顯然數(shù)據(jù)處理繁瑣耗時，特別是參考案例二，要找出勻速階段的點跡，再計算速度，誤差較大.

(3)案例二中橡皮筋規(guī)格難以統(tǒng)一，實際操作發(fā)現(xiàn)當橡皮筋的條數(shù)增加到5條時，由于勁度系數(shù)大大增加，小車加速度很大，容易“脫軌”，摔在地上，使實驗失敗.

(4)為避免案例二中小車碰到固定橡皮筋的釘子，增加橡皮筋的穩(wěn)定性，從便于操作考慮，在江蘇人民出版社出版的《高中物理實驗報告冊》必修二全國版中，實驗改進為將橡皮筋用兩個釘子固定，如圖3所示，但依然存在上述(1)～(3)的缺點.

圖3 案例二改進

(5)在2014—2018年期間，不少研究者分別在《物理教師》《實驗教學與儀器》《物理通報》《物理教學探討》等雜志中對這一實驗進行改進[1～5]，改進的實驗可以概括為自由落體法、重物牽引法、橡皮筋彈射法、彈弓彈射法.實驗中為了減少阻力，大都使用氣墊導軌；為避免復雜運算，也都借助于光電門傳感器.這些改進使得小車所受阻力大大減少，實驗結果更加精確.但同時對學生動手能力提出更高要求，而且受條件限制，大部分中學的物理實驗室難以大規(guī)模配備氣墊導軌和光電門，顯然上述改進實驗不利于大面積推廣，正是由于以上種種原因，對該實驗的改進需要另辟蹊徑.

2 實驗改進方案

基于上述實驗存在的不足，筆者對實驗裝置進行改進，得到一個較佳的解決方案.

2.1 實驗器材

制作說明：實驗主材為透明亞克力板材，其特點是容易切割，不易變形，實驗可以選取5 mm厚度板材，按照圖4尺寸進行切割，其中⑤為直徑1.4 cm的亞克力管子，中間兩側(cè)對稱開槽，以便于控制管內(nèi)彈簧長度，接著按照圖5裝置用專用膠水進行粘連組裝，圖6為實物圖，為便于檢查鋼球落點位置，在底座鋪上復寫紙.

圖4 亞克力板材切割尺寸圖

圖5 實驗裝置示意圖

圖6 實驗裝置實物圖

2.2 實驗操作說明與創(chuàng)新之處

2.2.1 主要操作說明

(1)將實驗裝置放置在桌上，用水平儀確保桌面處于水平.

(2)將彈簧放置在管內(nèi)，與管內(nèi)底部接觸，記下此時彈簧長度l0.

(3)將鋼球放入管內(nèi)，由兩側(cè)控制鋼球，壓縮彈簧，記下此時彈簧長度l.

(4)快速釋放鋼球，測量鋼球落點到管口的水平位移s.

(5)重復實驗，得到多組實驗數(shù)據(jù).

2.2.2 實驗創(chuàng)新之處

(1)將橡皮筋換成彈簧，相比橡皮筋，彈簧勁度系數(shù)穩(wěn)定且大小合適，實驗精確度較高.

(2)鋼球替代小車，縮短彈簧作用距離，阻力大大減少，這樣避免了平衡摩擦力，省時.

(3)亞克力透明管子兩側(cè)對稱開槽，方便控制彈簧的壓縮量.

(4)利用平拋運動求速度，直觀形象，簡單易懂，不用處理紙帶，省力.

3 實驗數(shù)據(jù)處理與再改進

每一次彈簧的形變量由Δx=l-l0計算得出，對應的8組實驗數(shù)據(jù)如表1所示，以形變量為橫坐標，水平位移s為縱坐標，利用Excel作圖得到圖7，可以清楚地看到兩者成正比，即Δx∝s.

表1 實驗數(shù)據(jù)

圖7 平拋水平位移與彈簧壓縮量的關系

要最終得到功與速度變化的關系，還需要借助功能關系，利用前一節(jié)所學的彈簧彈性勢能表達式間接得到彈簧做功的多少.即

(1)

有了平拋運動的基礎，學生知道在高度一定的情況下，水平位移與初速度成正比，即

(2)

最后由式(1)、(2)，結合實驗結論，可以推導如下

(3)

即功與速度變化的平方成正比，如果將復寫紙換成雙面膠，平拋運動的小鋼球會依次粘在雙面膠上，如圖8所示，從圖8可以看出小球排列大致均勻，實驗結果形象直觀，提高了學生探究的樂趣，更加有利于學生對基本知識的理解和掌握.

圖8 鋼球依次排列

4 總結與反思

本節(jié)在“探究彈性勢能的表達式”之后，利用本實驗裝置進行探究，從邏輯層面，更有利于知識的連續(xù)，而且通過彈簧彈力這種變力做功的形式進行實驗探究，會使得結論更具有一般性.

當然，實驗不是唯一的探究方式也不一定是最佳的探究方式，如果教學中先安排理論探究恒力做功與速度變化的關系再進行實驗探究，理論探究與實驗探究并重且結論相互支撐，會使學生更深層次地體驗科學探究的過程與方法，更有利于物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng).