對“探究功與物體速度變化關(guān)系”實驗的改進

王 輝

(蘇州市第十中學(xué),江蘇蘇州 215006)

“探究功與物體速度變化關(guān)系”是高中物理新課程中學(xué)生課堂探究實驗內(nèi)容.本實驗旨在研究外力做功改變物體速度,學(xué)生通過實驗了解做功與速度的平方有關(guān),為引入動能定理做鋪墊.

1 課本建議實驗方案的缺陷和問題

從2004開始到2009年,人教版教材在該章節(jié)一直呈現(xiàn)的都是如圖1的探究實驗.但在實際操作中,這個實驗暴露出如下幾個缺陷和問題.

圖1

(1)平衡摩擦力問題.由于紙帶的存在,不能保證通過傾斜木板來完全平衡阻力.

(2)由于橡皮筋的拖拽作用,無法保證小車在木板上的運動是一條直線.這樣,要測小車在橡皮筋做功過程中的末速度,實際上不可能.

(3)由于小車在木板上運動軌跡的不穩(wěn)定,使得如果一條橡皮筋對小車做功為W時,則兩條橡皮筋對小車做的功就未必是2W,三條橡皮筋對小車做功當(dāng)然也就未必為3W……這樣,各次實驗中橡皮筋對小車的功就不能用W的倍數(shù)來表達.

(4)不能保證每根橡皮筋都完全相同,即不能保證形變量一樣時彈性一致,會造成實驗誤差很大.

(5)若實驗中小車直接放在木板上運動,會出現(xiàn)小車在運動過程中壓橡皮筋的現(xiàn)象.

(6)若直接用小車做實驗,由于小車質(zhì)量太小,當(dāng)加上多條橡皮筋時,小車受力較大,其在加速過程中獲得的速度也就較大,如果木板偏短,會造成紙帶上能打出的點數(shù)過少,因此在紙帶打點的過程中,就不會出現(xiàn)小車做勻速運動的情況,因而也就無法測出與橡皮筋做功過程相對應(yīng)的小車的末速度.

(7)若直接用小車做實驗時,由于實驗中很難調(diào)整橡皮筋形成的平面與木板平面平行,實驗時會出現(xiàn)小車運動中發(fā)生跳躍運動的情形.

2010年人教版教材就本章節(jié)內(nèi)容進行了一些調(diào)整,除保留原來的實驗裝置外,增加了圖2的建議實驗裝置,以供師生選擇.但在實際操作時該實驗裝置也存在若干缺陷和問題.

圖2

(1)平衡摩擦力問題.由于紙帶的存在,不能保證通過傾斜木板來完全平衡阻力.

(2)該實驗認為懸掛鉤碼質(zhì)量翻倍,即對應(yīng)小車拉力也翻倍,但該條件的成立前提是小車質(zhì)量要遠大于鉤碼質(zhì)量,很明顯在實驗室是做不到的,因此這個實驗的系統(tǒng)誤差會大到不可彌補的程度.

(3)若所掛鉤碼過少,則紙帶上點太密集,測量點與點間距離誤差很大;若所掛鉤碼過多,則紙帶上點太少,無法滿足實驗數(shù)據(jù)的選取要求;因此所掛鉤碼必須適量,這樣紙帶上的點數(shù)量和密度是合適了,但會造成實驗重復(fù)次數(shù)太少,不能說明探究課題.

(4)實驗的測量數(shù)據(jù)計算量過大,學(xué)生在一節(jié)課的時間內(nèi)真正體會到動手實驗部分將會明顯少于數(shù)值計算所花的時間,從而淡化了學(xué)生動手操作能力的培養(yǎng)目標.

圖3

2 其他改進實驗方案綜述

正因為課本上給出的實驗在實際操作中存在上述缺陷和問題,很多一線教師就該探究實驗提出了自己的不同想法和改進建議.

在《對“探究功與物體速度變化的關(guān)系”實驗的研究》一文[1]中提出:

(1)使小車在軌道上運動.研究牛頓第二定律實驗中所用的鋁合金軌道就是最佳的選擇.這樣的裝置,也可以有效地避免出現(xiàn)小車運動過程中壓橡皮筋的現(xiàn)象.

(2)為了使小車在鋁合金軌道上的運動基本上是穩(wěn)定的直線運動,還需要有個雙保險,那就是所選用的小車的輪子應(yīng)該是有輪緣的輪子,就像火車輪子那樣.

(3)為了減小阻力的影響,除平衡摩擦力外,還應(yīng)選擇電火花計時器.

(4)實驗器材的安裝情況也應(yīng)進行調(diào)整.改進后的實驗裝置如圖3所示.

(5)為了使加上多條橡皮筋時,紙帶上能打出足夠多的點數(shù),也為了避免出現(xiàn)小車運動中發(fā)生跳躍運動的情形,應(yīng)在小車的前端加上質(zhì)量為100 g～200 g的砝碼.

另外,文獻[2-6]也對“功與速度變化關(guān)系”實驗方案提出了不同的改進建議.

3 改進實驗方案介紹

上述文獻中的改進建議都未突破原有的設(shè)計思路,都在力求物體運動速度的精確獲取,從儀器設(shè)備上來看不是安裝復(fù)雜就是需要應(yīng)用較先進的儀器,非常不利于學(xué)生探究實驗的推廣、開展和進行.筆者經(jīng)過多年的教學(xué)實踐,提出另一改進方案,相比之下更容易實施.

(1)改進實驗需要器材.

借用驗證動量守恒實驗的儀器:小球,斜槽,白紙,復(fù)寫紙,毫米刻度尺.

(2)改進實驗裝置圖,如圖4.

圖4

(3)改進實驗設(shè)計思路.

圖5

將斜槽從底部開始等間距做標記,將小球從不同的標記點由靜止釋放,由于斜槽內(nèi)的小球受重力G,支持力 N,摩擦力f的共同作用(如圖 5),其下滑加速度為 a=gsinθ-μ gcosθ,與物體質(zhì)量無關(guān),因而做勻加速直線運動,得到小球在到達斜槽底端時速度與下落高度的關(guān)系為v2∝h;當(dāng)小球進入水平槽,由于摩擦阻力可忽略不計,小球做勻速運動,速度v保持不變.然后小球以速度v離開桌面做平拋運動,根據(jù)落點位置可以測量出小球的平拋水平位移x,根據(jù)平拋運動特點,則有平拋水平位移與平拋初速度的關(guān)系為x∝v.

(4)實驗過程和步驟.

小球從不同標記點對應(yīng)的高度沿斜槽下滑,測量小球平拋的水平位移x,如表1.

表1

(5)實驗數(shù)據(jù)處理.

以下滑高度 h為縱坐標,以x(或x2)為橫坐標,描點作圖,觀察所得到的點是否在一條直線上或基本在一直線附近.如果條件允許,也可以采用Excel軟件實現(xiàn)圖像生成,將更加快捷和簡便.

(6)本改進實驗特點.

①對儀器要求低,裝配簡單,方便學(xué)生實施實驗方案;②不需要平衡摩擦力;

③不使用打點計時器,避免了由于打點計時器而引入的系統(tǒng)誤差;

④不計算速度,減小因為計算而引入的偶然誤差;

⑤只需要測量水平位移,減小學(xué)生的數(shù)學(xué)計算量,突出實驗課的動手特點;

⑥突破原有實驗思路,轉(zhuǎn)而研究下落高度h和平拋水平位移x的關(guān)系.

4 具體操作實踐

通過實驗,測得數(shù)據(jù)見表2.

圖6

作出水平位移與下落高度的關(guān)系(如圖6),顯然是非線性變化,即v與 h也是非線性關(guān)系.

圖7

作出水平位移平方與下落高度的關(guān)系(見圖7),在誤差范圍內(nèi)圖像為直線,顯然為線性變化,即v2與h為線性關(guān)系.

結(jié)論:在探究功與物體速度變化關(guān)系的實驗中,我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)物體由靜止開始下落后,其下落速度的平方與合力對物體所做的功成正比關(guān)系.

5 不足和思考

存在的問題:小球落地時會彈起,造成復(fù)寫紙上留下太多的點跡,對于最后確定平拋水平位移x帶來一定的干擾.

解決方法:

①在復(fù)寫紙下鋪一層薄沙,用來緩解小球落地反彈的效果.②使用圖8的實驗裝置,改測小球平拋下落高度,達到同樣的實驗?zāi)康?

圖8

1 王超良,趙紹興.對“探究功與物體速度變化的關(guān)系”實驗的研究.中學(xué)物理教學(xué)參考,2008(8).

2 朱克法,廖光紅.探究功與物體速度變化關(guān)系實驗的改進.教學(xué)儀器與實驗,2010(5).

3 嚴高峰.探究功與物體速度變化關(guān)系實驗的改進.實驗教學(xué)和儀器,2009(11).

4 吳志山,張秀峰.“探究功與物體速度變化的關(guān)系”實驗的 DIS補充.中小學(xué)實驗與裝備,2007(5).

5 陳春麗.用氣墊導(dǎo)軌探究功與物體質(zhì)量、速度的關(guān)系.物理教師,2007(6).

6 黃沖.探究功與物體速度變化的關(guān)系.實驗教學(xué)和儀器,2006(3).