《恒力做功与物体动能变化》实验的改进

王连影

【摘 要】在分析了有关资料并结合自己的实验研究基础上，对我校高中现阶段物理教科书（司南版必修二）《恒力做功与物体动能变化》进行了理论研究并针对实验的缺点进行了改进。

【关键词】动能定理；高中物理实验；实验改进

0 前言

高一下学期物理实验 “恒力做功与动能改变的关系”这个实验的结果误差很大而且步骤很繁琐。也是困扰物理教师的一个难题。于是我和学生进行了一系列的研究，我们找了不同版本的教材，除了《司南版》只看到《粤教版》有这个实验，但它的实验方法也有缺陷。我们又查找了相关资料未见对此实验的改进学生和老师的齐心协力下终于做出了比较理想的实验装置。我们的研究过程如下：

1 研究方法

1.1 资料收集法

在万方数据库和百度等网站上搜索和查询有关“恒力做功与动能改变的关系”实验版本和类似实验改进的研究。

1.2 实验法

自己动手，对不同版本的“恒力做功与动能改变的关系”的实验进行实验，发现其中存在的众多问题。一一想出改进的方法。

1.3 对比法

将我们设计的实验与各个版本现有的实验数据进行比较，最终证明自己设计的实验更能说明恒力做功与动能改变的关系。

2 研究过程

2.1查找其他版本有关实验资料

人教版：没有相关实验，只有直接探究“功与速度变化的关系”实验：

沪教版：这个实验得出的数据计算出来的速度是比较精确的，实验中使用了光电门，不需要平衡摩擦力了，但数据的处理还是比较烦琐，不足之处是这一套仪器成本比较高做分组实验的话不是每个学校都有条件。若是采用“探究加速度与力、质量的关系”中的方法，则需要平衡摩擦力，这样就给实验增加了难度，还要求砝码的质量要远大于滑块的质量。

粤教版：粤教版的实验探究指导能让学生在问题的提示下，将实验探究过程很好的体验一下，该实验方案和“验证机械能守恒”方案类似，对于自由下落的数据处理，学生有前面的基础应该不难完成。

司南版：原理与沪教版如出一辙，这个实验需要平衡摩擦力，这一点是很难做到的，平衡不好会给实验带来很大的误差，跟预想的结论相差较远，而且数据的处理也需要很复杂的计算。用砝码的重力代替对滑块的拉力也是有条件的，是一种理想近似，也会对实验产生较大的误差。

综上，我们针对使用范围比较广泛的司南版和粤教版的实验进行了实验并对实验的优缺点进行了讨论。

2.2各版本实验器材

粤教版的实验器材：

铁架台、打点计时器、纸带夹、纸带、重锤、天平。

司南版的实验器材：

长木板、打点计时器、小车、砝码、钩码、小木块、纸带、细线、天平。

我设计的实验器材：

2.2.1测滑动摩擦因数装置：木板、布条。（自己动手制作的）

2.2.2基本实验装置：铁架台、打点计时器、纸带夹、纸带、重锤、测滑动摩擦装置、天平。

2.3 对不同版本的方案进行实验

2.3.1粤教版

步骤：①用天平测出重锤的质量；②将实验器材如图安装；③将重锤拉到距离打点计时器最近的位置，先打开打点计时器开关，然后放下重锤，令其自由下落；④分析纸带，收集数据；⑤得出结论。

实验缺陷分析：

2.3.1.1纸带穿过打点计时器时摩擦不可避免，但我们一般情况下都忽略不计，这也形成了实验误差的一个来源。

2.3.1.2此实验要想获得多组数据就要改变重物的质量，现有实验器材无法很方便的改变重物的质量，所以无法获得多组数据。

2.3.2司南版（由于沪教版与司南版原理相似，所以以司南版为例）

步骤：①用天平测出重锤的质量；②将实验器材如图安装；③将小车放在一端带有定滑轮的平板上，把平板不带滑轮的一端垫高，在小车后面挂一条纸带，穿过打点计时器，让小车没有牵引力的情况下下滑，同时开启打点计时器；④分析小车不受牵引力时打下的纸带，观察它上面的点之间的距离是否相等，若不相等，则重新进行步骤（若相等，则进行下一步）；⑤将小车放在一端带有定滑轮的平板上，在小车后面挂一条纸带，穿过打点计时器，另一端挂上钩码，开启打点计时器，放开小车令其下滑；⑥改变钩码的质量，多做几组实验；⑦记录数据，对数据进行分析；⑧得出结论。

表格三数据仍验证了表格二的结论。但第二组数据说明即使我们最大可能的平衡摩擦力，它的误差也会随着M的增大而增大，但实验要求我们M要远远大与m。而m太小系统仪器也有摩擦，使m无法拉动小车M，所以很多同学往往都在平衡摩擦力过程中，导致实验很大误差。

总结如下：

2.3.2.1反复的平衡摩擦力，浪费了大量的上课时间并且浪费纸带。（因为每一次判断是否把摩擦力平衡都要打纸带，直到看到纸带上的点间距大致相等。）

2.3.2.2实验中老师在讲时要求小车的质量M要远远大于所挂钩码的质量m。远远大于是一个比较模糊的概念，究竟怎样才叫远远大于呢？所以不管怎样，在实验中都不可避免的造成了很大的误差。

2.3.2.3在用纸带穿过打点计时器时，细绳绕过定滑轮时，纸带与打点计时器和定滑轮之间也有一定的摩擦，如果m太轻就使纸带无法克服这些摩擦不能运动但要满足M远远大于m，m又不能太大这也不可避免的增大了误差。

综合以上因素，很多同学在做完实验进行数据分析时，都感觉这个实验误差太大，甚至对结论产生质疑，使实验达不到很好的效果。

2.4提出实验改进方案，动手实验

2.4.1 原理：

我设计的实验是利用重锤的重力与纸带受到的动摩擦力的合力充当恒力，通过改变纸带受到的动摩擦力改变恒力，由此可得到多组数据。

f阻=uN；G=mg；F恒=G-2f阻

通过改变压力N从而改变F恒，以获得多组数据。

我们将整个实验转移到铁架台上。重锤下落时，纸带由于被两块夹板夹住，受到一个摩擦力，通过我设计的测动摩擦力，可以得到一个确切的动摩擦力大小，进而可算出恒力大小。运用公式W=Fs便可求出恒力做的功。通过打点计时器并分析纸带可得出重锤的速度，运用公式Ek=（1/2）mV^2 可求出动能的变化△EK。最后比较W与△EK的大小便可得出恒力做功与动能变化的关系。

2.4.2 测动摩擦力的装置：

如图1，夹板2固定在铁架台上，夹板1被弹簧测力计水平拉着，纸带穿在两夹板之间，弹簧测力计的示数便是纸带受到的压力N。实验前测出夹板与纸带的动摩擦系数，由公式可得出摩擦力。

2.4.3示意图（见图2）

2.44 实验步骤：①测出测摩擦力装置与纸带间的动摩擦系数；②用天平测出重锤的质量；③将装置如图安装；④调节弹簧测力计的示数并记下；⑤将重锤拉到距离打点计时器最近的位置，先打开打点计时器开关，然后放下重锤，令其自由下落；⑥改变弹簧测力计的示数，多测几组数据；⑦记录数据，对数据进行分析；⑧得出结论。

2.4.5 注意事项

①纸带由于与测动摩擦力的装置是双面接触，所以纸带受到的摩擦力有两个；②由于纸带后半段未与测动摩擦力的装置接触，所以后半段不受动摩擦力，后半段纸带不能用于分析。

3 实验的优点

3.1不需像司南版实验那样平衡摩擦力，所以更加方便和节省纸带

3.2误差只由空气阻力与纸带和打点计时器接触时产生的动摩擦力影响，所以误差小。

3.3重锤受到的恒力可控可调，所以可以得到多组数据，更有利于实验的探究，而不仅仅停留于验证的水平上

3.4实验数据清晰明了，相对司南版计算量较小。

4 展望

我们设计的实验方案不仅可以获得多组数据，也可以很大程度的减小误差。若以后得到采纳，批量生产，动摩擦因数可以在仪器上直接给出，这样可以更方便和规范。

参考文献：

[1]韩峰.“多版本教材探究动能定理实验的处理对比分析”（枣庄山亭区教研室）.

[2]束炳如.何润伟.物理，2005

[3]廖伯琴.物理探究式教学设计与案例分析，2003.

[4]廖伯琴.普通高中课程标准实验教科书.物理，2004.