用DISLab探究力做功与速度变化关系的创新实验

杨青华+杨建会

摘 要：采用DISLab系统，包括气垫导轨和光电门传感器，探究力做功与速度变化关系。

关键词：DISLab系统；光电门传感器；气垫导轨；创新实验

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）12-0050-3

DISLab全称是数字化信息系统实验室（Digital Information System Laboratory），是由“传感器+数据采集器+实验软件包+计算机”构成的新型实验系统。DISLab将实验数据通过传感器采集实时动态地显示在电脑上，并利用软件进行数据分析。DISLab配备有力、磁、光电、位移、温度、电压、电流、微电流等多种传感器。基于DISLab的优越性，研究工作者已在物理教学中做了大量的探索研究。本文利用DISLab设计外力做功与动能变化的关系。

背景说明：人教版高中物理必修2第七章，学生已经建立了重力势能、弹性势能的概念，知道了重力做功、弹力做功与重力势能、弹性势能之间的关系。从内容的逻辑上讲，接下来应该是进一步研究和讨论力对物体所做的功与物体的动能之间的关系。但是课本第6节只提供了探究功与速度变化关系的两种实验装置，方案一：橡皮筋的弹力是变力，对它做功的求解，在高中阶段不要求。而橡皮筋变力做功的思想很好，不用求变力做功的大小。教材中巧妙地回避了这种求变力做功的计算，而是用橡皮筋的条数来代替做功，这是一种很巧妙的思想方法，但是在学生传统的思想中，还是受恒力做功的影响，对此方案接受理解需要时间。方案二：通过研究平板上的小车，使它在钩码重力的作用下从静止开始运动，测量力的大小及小车在力作用下的运动距离，这一方案虽然是恒力做功，但是钩码通过细线拉着小车运动，其实钩码与小车一起加速运动，因此，细线的拉力做的功就等于钩码重力做的功，但这一结果是有前提条件的，即：钩码的质量远远小于小车质量，其实，这一方案系统误差还是不可避免的。而接下来第7节就从理论上推导了功与动能变化的关系（即动能定理），但教材没有提供探究功与动能变化之间的关系的实验探究方案，笔者受上述两种实验方案启发，利用气垫导轨及光电门传感器设计了功与速度变化关系的创新实验。

1 实验设计思想

本实验研究细线拉力对滑块所做的功与滑块速度之间的关系，细线的拉力可以利用传感器直接在电脑中读出，而不是像传统的实验——细线的拉力近似地等于下面所挂重物的重力（存在系统误差）。因此，细线拉力做的功就可以由计算机精确地求出。而滑块在某一时刻的速度也可以通过光电门传感器在电脑上记录下来。

2 实验器材

DISLab计算机软件，光电门传感器，气垫导轨，挡光片（宽度约为0.02 m），细线，天平，大头针。每个大头针的质量约为m1=0.115 g，滑块的质量m=192 g。

3 实验原理

（1） 恒力功的测量W=FL求得。若直接用大头针的重力代替细线拉力F会有误差，为了测量准确，可以这样做，设小车的质量为m，大头针的质量为m1，由牛顿第二定律F=ma及mg-F=ma，两式联立，求得 故拉力做的功W= L为小车在两个光电门之间运动的距离。本实验L=0.25 m。

3.2 速度的测量

设光电门的宽度为d，挡光片通过光电门1的时间为t1，则小车到达光电门1时的瞬时速度为 挡光片通过光电门2的时间为t2，则小车到达光电门2时的瞬时速度为

4 实验过程

（1）首先将气垫导轨安装好，将两个光电门用一个光电门传感器串联起来，用USB接入电脑。滑块上水平放置两个挡光片，一段用细线相连，细线通过气垫导轨一端的定滑轮可以捆绑大头针。实验装置图如图1。

（2）打开光电门传感器侧面的开关，点击DISLab.exe软件，在小车常量输入框中输入小车的质量192 g；在挡光片宽度常量输入框中输入挡光片宽度d=0.02 m；光电门距离常量输入框中输入光电门距离L=0.25 m；在大头针质量常量输入框中输入一个大头针质量m1=0.115 g，大头针数量每次要改变。

（3）添加公式，公式代码设为F，公式表达式设为 ；添加公式，公式代码W，公式表达式设定为F·L。

（4）将细线的一端固定在小车前端，另一端跨过定滑轮系住大头针，第一次用一个大头针0.115 g。将小车置于起点，从导轨某一位置由静止释放，计算机上就会显示一组数据如图2所示。

（5） 改用2个大头针质量为0.230 g，3个大头针质量为0.345 g，4个大头针质量为0.460 g，重复第（4）步，得到一列数据。点击绘图按钮，X轴代表变量拉力做的功，Y轴代表速度的变化量，图3显示了合力做功与动能变化的关系。图4是该直线的拟合方程y=134.52x-0.0247，在误差允许的范围内分析图线，可以看出，外力做的功与动能的变化量成正比。

5 实验创新点

（1）本实验利用气垫导轨代替普通的平板小车，很好地消除了摩擦力的影响。

（2）拉力F=m·m1·直接输入传感器模板公式中，不变的要求是大头针的质量远远小于滑块的质量，实验结果更加精确。

（3）本实验利用光电门传感器，电脑上可以记录滑块某一时刻的速度，通过模板中的公式直接求出力做功及速度变化，通过画图就可以很直观地总结出恒力做功与速度变化的关系。

本实验装置改进后，从操作及数据處理结果可看出，装置简单，操作方便，提高了实验的精确度，实验效果良好。

本实验不仅可以研究恒力做功的实验，还可以把弹簧与滑块相连，利用两个光电门记录滑块的速度，研究弹簧弹力（变力）做功与速度变化的关系。可以用来验证动能定理也适用于变力做功。

参考文献：

[1]普通高中课程标准实验教科书物理必修2[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]杨青华，等.基于DISLab的楞次定律创新实验设计[J].物理教学探讨，2015，33（6）：54.

（栏目编辑 王柏庐）