用DISlab探究“做功與速度變化的關(guān)系”

張志鋒

(商南縣高級(jí)中學(xué) 陜西 商洛 726300)

1 教材中兩種實(shí)驗(yàn)方案分析

人教版高中《物理·必修2》第七章第6節(jié)是一節(jié)探究實(shí)驗(yàn)——探究“做功與速度變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn).該實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖亲寣W(xué)生探究力對(duì)物體做功與物體速度變化的關(guān)系，體會(huì)實(shí)驗(yàn)探究過程和所用的方法，同時(shí)為動(dòng)能定理的學(xué)習(xí)做鋪墊.

在教材中提供了兩種實(shí)驗(yàn)參考方案如圖1所示.

方案1:如圖1(a)所示，由重物通過滑輪牽引小車，當(dāng)小車的質(zhì)量比重物大很多時(shí)，可以把重物所受重力當(dāng)做小車的牽引力，小車運(yùn)動(dòng)的距離可由紙帶測(cè)出.改變重物的質(zhì)量或改變小車運(yùn)動(dòng)的距離，也就改變了小車做的功.

方案2:如圖1(b)所示，使小車在橡皮筋的作用下彈出.

(a)

(b)

第二次、第三次……操作時(shí)分別改用2根、3根……同樣的橡皮筋，并使小車從同樣的位置彈出；那么橡皮筋對(duì)小車做的功一定是第一次的2倍、3倍……測(cè)出小車被彈出后的速度，能夠找到牽引力對(duì)小車做的功與速度的關(guān)系.

用這兩個(gè)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，有以下幾個(gè)方面的不足：

(1)無論是方案1還是方案2，確定合外力做功時(shí)，均需平衡摩擦力，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)難以做到，致使誤差較大.

(2)小車在重物或橡皮筋作用力牽引下，容易改變運(yùn)動(dòng)方向，致使打出的紙帶不理想.

(3)實(shí)驗(yàn)打下的紙帶條數(shù)較多，連接和取下小車后面的紙帶不方便.

個(gè)別計(jì)價(jià)法計(jì)算的銷售成本，能以實(shí)際采購成本為基礎(chǔ)，期末資產(chǎn)價(jià)值具有真實(shí)性。這種方法適用于一般不能替代使用的存貨、為特定項(xiàng)目專門購入或制造的存貨等，如珠寶、名畫等價(jià)值高，數(shù)量少的貴重物品。但是，個(gè)別計(jì)價(jià)法在實(shí)際操作中，手續(xù)繁瑣，一個(gè)一個(gè)地單獨(dú)計(jì)價(jià)，耗費(fèi)的時(shí)間成本及人力成本均較高，對(duì)存貨品種多，數(shù)量多的企業(yè)來說不太實(shí)用，同時(shí)就業(yè)務(wù)本身來說，畢竟像珠寶等貴重物品存貨的企業(yè)不多，因而不具有普遍性。

為此，筆者通過DISlab系統(tǒng)，結(jié)合WPS工作表來處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并描繪相關(guān)圖像，得出較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和理想的W-v2線性圖像，具有較高的可信度和一定的實(shí)驗(yàn)價(jià)值.

2 DISlab“探究做功與速度變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)器材

DISlab實(shí)驗(yàn)力學(xué)軌道、小車，2個(gè)L型支架，一個(gè)I型支架，光電門1個(gè)，2 cm遮光片1個(gè)，數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)線、計(jì)算機(jī)，DISlab實(shí)驗(yàn)軟件和WPS工作表軟件，橡皮筋.

實(shí)驗(yàn)中DISlab實(shí)驗(yàn)用小車與力學(xué)軌道間摩擦很小，實(shí)驗(yàn)中軌道水平即可，小車4輪恰好控制在軌道上兩道凹槽中，不易滑離軌道；實(shí)驗(yàn)前把5個(gè)橡皮筋套成一根，共8根；把其中一個(gè)L型支架用螺絲固定在軌道的一端，用作橡皮筋作用端；在小車前端自制一掛鉤，用螺絲固定在小車上；遮光片固定在小車上.

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖與實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)拍圖如圖2、圖3所示.

①DISlab力學(xué)軌道;②小車;③掛鉤;④遮光片;⑤橡皮筋;⑥支架(固定于軌道前端);⑦光電門;⑧傳輸線;⑨數(shù)據(jù)采集器;⑩數(shù)據(jù)線

圖2 裝置結(jié)構(gòu)圖

圖3 裝置實(shí)拍圖

2.3 實(shí)驗(yàn)原理

倍增法探求功，使用1根、2根、3根……橡皮筋，使彈力對(duì)小車做功成倍增加；用光電門測(cè)出小車對(duì)應(yīng)的最大速度v1,v2,v3，……，分析功W與v的關(guān)系.

2.4 實(shí)驗(yàn)操作步驟

(1)按圖2所示安裝實(shí)驗(yàn)器材，將實(shí)驗(yàn)用力學(xué)軌道平放在水平桌面上.光電門用傳輸線連接至數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器用數(shù)據(jù)線連接至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)打開DISlab實(shí)驗(yàn)“專用軟件”中“測(cè)瞬時(shí)速度”界面，軟件系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)到光電門傳感器.

(2)將2 cm寬的遮光片固定在小車上，將一條橡皮筋一端套在軌道前端的支架上，另一端掛在小車前端的掛鉤上，橡皮筋與軌道平行，然后將小車?yán)竭m當(dāng)位置，點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)界面上“開始”按鈕(將界面上遮光片寬度統(tǒng)一輸入為0.020)，然后由靜止釋放小車，使小車在橡皮筋的彈力下被彈出，這樣測(cè)出了小車的速度.

(3)第二次、第三次……操作時(shí)分別改用2根、3根……同樣的橡皮筋，并使小車從同樣的位置彈出；那么橡皮筋對(duì)小車做的功即為第一次的2倍、3倍……測(cè)出小車被彈出后的速度v1,v2,v3，……

(4)將記錄的瞬時(shí)速度分別輸入WPS工作表第一列，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.

2.5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

圖4 某次8組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理表格截圖

圖6 做功與速度改變關(guān)系圖像

2.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

3 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

(1)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)科學(xué)合理，實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單，操作便捷，直觀明確.

(2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集迅速簡(jiǎn)單，采集數(shù)據(jù)點(diǎn)多，直接通過計(jì)算機(jī)處理，呈現(xiàn)速度大小，數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，避免了復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算.

(3)利用WPS工作表進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、描繪系列圖像，提高了效率和準(zhǔn)確度，還體現(xiàn)了現(xiàn)代信息技術(shù)帶來的便捷性.

(4)通過描繪“做功與速度改變”的多種圖像，最終得出結(jié)論，體現(xiàn)了科學(xué)探究的學(xué)科素養(yǎng)和科學(xué)態(tài)度.

該實(shí)驗(yàn)是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)整合的一個(gè)案例，利用DISlab系統(tǒng)和光電門來測(cè)速度，直觀性強(qiáng)，趣味性濃，體現(xiàn)了現(xiàn)代信息化技術(shù)給物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來的便捷和高效.