“恒力做功與動(dòng)能改變的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)及改進(jìn)

一、實(shí)驗(yàn)概況

本實(shí)驗(yàn)為普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書司南版《物理》必修2的第二章第一節(jié)的探究實(shí)驗(yàn)，其中課本實(shí)驗(yàn)方案如下。

（1）用細(xì)線將木板上的小車通過一個(gè)定滑輪與懸吊的砝碼相連。改變木板的傾角，以小車重力的一個(gè)分力平衡小車及紙帶受到的摩擦力，使小車做勻速運(yùn)動(dòng)。

（2）在細(xì)繩另一端掛上砝碼，使小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于砝碼的質(zhì)量，小車在細(xì)線的拉力作用下做勻加速運(yùn)動(dòng)。由于砝碼質(zhì)量很小，可以認(rèn)為小車所受拉力F的大小等于砝碼所受的重力大小。

（3）把紙帶的一端固定在小車的后面，另一端穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，接通電源，放開小車，讓小車拖著紙帶運(yùn)動(dòng)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器就在紙帶上打下一系列的點(diǎn)。

（4）重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)。選擇一條點(diǎn)跡清晰的紙帶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，由紙帶可以找到位移和時(shí)間的信息，由砝碼可以知道小車所受的恒力。尋找兩者之間的關(guān)系，從而得出動(dòng)能定理。

二、實(shí)驗(yàn)的缺陷及改進(jìn)方法

（一）缺陷

1.由于木板各處的粗糙程度不完全相同，小車直接放在木板上，很難保證小車在一條直線上運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致較大的誤差。

2.該實(shí)驗(yàn)通過測(cè)量砝碼所受的重力來(lái)確定小車所受的合外力，而事實(shí)上砝碼所受的重力與小車所受的拉力并不相等。其真實(shí)關(guān)系推證如下：小車加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，砝碼受力是不平衡的，它具有與小車同樣大小的加速度。設(shè)車與砝碼的加速度大小為a，以整個(gè)系統(tǒng)為研究對(duì)象，由牛頓第二定律可得：mg=（M+m）a，以小車為研究對(duì)象，由牛頓第二定律F=Ma可得：F=MM+m·mg=11+mM ·mg。砝碼所受的重力與小車所受的拉力并不相等。只有當(dāng)mM時(shí)，小車所受的拉力才與砝碼所受的重力近似相等。但畢竟還是不相等，所以必然會(huì)產(chǎn)生誤差。

（二）改進(jìn)的方法

1.對(duì)于第一個(gè)缺陷，為確保小車在一條直線上運(yùn)動(dòng)，可采用“雙保險(xiǎn)”：（1）選擇兩根平行的鋁合金軌道。這樣的裝置，首先各處的粗糙程度接近完全相同，同時(shí)也可以有效避免出現(xiàn)小車運(yùn)動(dòng)過程中軌跡不穩(wěn)定的現(xiàn)象；（2）選擇有輪緣的輪子（就像火車輪子那樣）。

2.對(duì)于第二個(gè)缺陷，可將研究對(duì)象由小車轉(zhuǎn)換為小車和砝碼組成的系統(tǒng)，則實(shí)驗(yàn)中對(duì)砝碼的質(zhì)量就沒有要求，這樣由于砝碼質(zhì)量的大小引起的誤差便可迎刃而解。

（責(zé)任編輯 黃春香）