对“探究功与物体速度变化关系”实验的改进

王 辉

(苏州市第十中学,江苏苏州 215006)

“探究功与物体速度变化关系”是高中物理新课程中学生课堂探究实验内容.本实验旨在研究外力做功改变物体速度,学生通过实验了解做功与速度的平方有关,为引入动能定理做铺垫.

1 课本建议实验方案的缺陷和问题

从2004开始到2009年,人教版教材在该章节一直呈现的都是如图1的探究实验.但在实际操作中,这个实验暴露出如下几个缺陷和问题.

图1

(1)平衡摩擦力问题.由于纸带的存在,不能保证通过倾斜木板来完全平衡阻力.

(2)由于橡皮筋的拖拽作用,无法保证小车在木板上的运动是一条直线.这样,要测小车在橡皮筋做功过程中的末速度,实际上不可能.

(3)由于小车在木板上运动轨迹的不稳定,使得如果一条橡皮筋对小车做功为W时,则两条橡皮筋对小车做的功就未必是2W,三条橡皮筋对小车做功当然也就未必为3W……这样,各次实验中橡皮筋对小车的功就不能用W的倍数来表达.

(4)不能保证每根橡皮筋都完全相同,即不能保证形变量一样时弹性一致,会造成实验误差很大.

(5)若实验中小车直接放在木板上运动,会出现小车在运动过程中压橡皮筋的现象.

(6)若直接用小车做实验,由于小车质量太小,当加上多条橡皮筋时,小车受力较大,其在加速过程中获得的速度也就较大,如果木板偏短,会造成纸带上能打出的点数过少,因此在纸带打点的过程中,就不会出现小车做匀速运动的情况,因而也就无法测出与橡皮筋做功过程相对应的小车的末速度.

(7)若直接用小车做实验时,由于实验中很难调整橡皮筋形成的平面与木板平面平行,实验时会出现小车运动中发生跳跃运动的情形.

2010年人教版教材就本章节内容进行了一些调整,除保留原来的实验装置外,增加了图2的建议实验装置,以供师生选择.但在实际操作时该实验装置也存在若干缺陷和问题.

图2

(1)平衡摩擦力问题.由于纸带的存在,不能保证通过倾斜木板来完全平衡阻力.

(2)该实验认为悬挂钩码质量翻倍,即对应小车拉力也翻倍,但该条件的成立前提是小车质量要远大于钩码质量,很明显在实验室是做不到的,因此这个实验的系统误差会大到不可弥补的程度.

(3)若所挂钩码过少,则纸带上点太密集,测量点与点间距离误差很大;若所挂钩码过多,则纸带上点太少,无法满足实验数据的选取要求;因此所挂钩码必须适量,这样纸带上的点数量和密度是合适了,但会造成实验重复次数太少,不能说明探究课题.

(4)实验的测量数据计算量过大,学生在一节课的时间内真正体会到动手实验部分将会明显少于数值计算所花的时间,从而淡化了学生动手操作能力的培养目标.

图3

2 其他改进实验方案综述

正因为课本上给出的实验在实际操作中存在上述缺陷和问题,很多一线教师就该探究实验提出了自己的不同想法和改进建议.

在《对“探究功与物体速度变化的关系”实验的研究》一文[1]中提出:

(1)使小车在轨道上运动.研究牛顿第二定律实验中所用的铝合金轨道就是最佳的选择.这样的装置,也可以有效地避免出现小车运动过程中压橡皮筋的现象.

(2)为了使小车在铝合金轨道上的运动基本上是稳定的直线运动,还需要有个双保险,那就是所选用的小车的轮子应该是有轮缘的轮子,就像火车轮子那样.

(3)为了减小阻力的影响,除平衡摩擦力外,还应选择电火花计时器.

(4)实验器材的安装情况也应进行调整.改进后的实验装置如图3所示.

(5)为了使加上多条橡皮筋时,纸带上能打出足够多的点数,也为了避免出现小车运动中发生跳跃运动的情形,应在小车的前端加上质量为100 g～200 g的砝码.

另外,文献[2-6]也对“功与速度变化关系”实验方案提出了不同的改进建议.

3 改进实验方案介绍

上述文献中的改进建议都未突破原有的设计思路,都在力求物体运动速度的精确获取,从仪器设备上来看不是安装复杂就是需要应用较先进的仪器,非常不利于学生探究实验的推广、开展和进行.笔者经过多年的教学实践,提出另一改进方案,相比之下更容易实施.

(1)改进实验需要器材.

借用验证动量守恒实验的仪器:小球,斜槽,白纸,复写纸,毫米刻度尺.

(2)改进实验装置图,如图4.

图4

(3)改进实验设计思路.

图5

将斜槽从底部开始等间距做标记,将小球从不同的标记点由静止释放,由于斜槽内的小球受重力G,支持力 N,摩擦力f的共同作用(如图 5),其下滑加速度为 a=gsinθ-μ gcosθ,与物体质量无关,因而做匀加速直线运动,得到小球在到达斜槽底端时速度与下落高度的关系为v2∝h;当小球进入水平槽,由于摩擦阻力可忽略不计,小球做匀速运动,速度v保持不变.然后小球以速度v离开桌面做平抛运动,根据落点位置可以测量出小球的平抛水平位移x,根据平抛运动特点,则有平抛水平位移与平抛初速度的关系为x∝v.

(4)实验过程和步骤.

小球从不同标记点对应的高度沿斜槽下滑,测量小球平抛的水平位移x,如表1.

表1

(5)实验数据处理.

以下滑高度 h为纵坐标,以x(或x2)为横坐标,描点作图,观察所得到的点是否在一条直线上或基本在一直线附近.如果条件允许,也可以采用Excel软件实现图像生成,将更加快捷和简便.

(6)本改进实验特点.

①对仪器要求低,装配简单,方便学生实施实验方案;②不需要平衡摩擦力;

③不使用打点计时器,避免了由于打点计时器而引入的系统误差;

④不计算速度,减小因为计算而引入的偶然误差;

⑤只需要测量水平位移,减小学生的数学计算量,突出实验课的动手特点;

⑥突破原有实验思路,转而研究下落高度h和平抛水平位移x的关系.

4 具体操作实践

通过实验,测得数据见表2.

图6

作出水平位移与下落高度的关系(如图6),显然是非线性变化,即v与 h也是非线性关系.

图7

作出水平位移平方与下落高度的关系(见图7),在误差范围内图像为直线,显然为线性变化,即v2与h为线性关系.

结论:在探究功与物体速度变化关系的实验中,我们发现当物体由静止开始下落后,其下落速度的平方与合力对物体所做的功成正比关系.

5 不足和思考

存在的问题:小球落地时会弹起,造成复写纸上留下太多的点迹,对于最后确定平抛水平位移x带来一定的干扰.

解决方法:

①在复写纸下铺一层薄沙,用来缓解小球落地反弹的效果.②使用图8的实验装置,改测小球平抛下落高度,达到同样的实验目的.

图8

1 王超良,赵绍兴.对“探究功与物体速度变化的关系”实验的研究.中学物理教学参考,2008(8).

2 朱克法,廖光红.探究功与物体速度变化关系实验的改进.教学仪器与实验,2010(5).

3 严高峰.探究功与物体速度变化关系实验的改进.实验教学和仪器,2009(11).

4 吴志山,张秀峰.“探究功与物体速度变化的关系”实验的 DIS补充.中小学实验与装备,2007(5).

5 陈春丽.用气垫导轨探究功与物体质量、速度的关系.物理教师,2007(6).

6 黄冲.探究功与物体速度变化的关系.实验教学和仪器,2006(3).