“探究橡皮筋彈性勢能測定方法”的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

吳明杰

國標(biāo)?人教版（必修2）《高中實(shí)驗(yàn)報告冊》中探究性實(shí)驗(yàn)六“探究橡皮筋的彈性勢能與伸長量之間的關(guān)系”的原理是：當(dāng)小車平衡了摩擦?xí)r，橡皮筋拉力對小車做功把其彈性勢能全部轉(zhuǎn)化為小車的動能后，小車開始以速度v勻速運(yùn)動，此時小車的動能E_k=1/2mv²。即等于開始時橡皮筋儲存的彈性勢能E_p，所以探究橡皮筋彈性勢能與伸長量之間的關(guān)系就可以轉(zhuǎn)化為探究小車v²與橡皮筋伸長量之間的關(guān)系了。

但在學(xué)生實(shí)際操作時，存在以下幾個問題：一是學(xué)生對動能只是在初中學(xué)過其概念，此時還沒有學(xué)到動能表達(dá)式，因而對E_k=1/2mv²感到很突兀，從內(nèi)心對該實(shí)驗(yàn)方案存在一定的疑惑。二是學(xué)生在分析紙帶時，對于紙帶上打哪些點(diǎn)小車做勻速運(yùn)動，不容易準(zhǔn)確判斷，從而產(chǎn)生數(shù)據(jù)測量時的誤差。三是雖然操作前平衡了摩擦，但是實(shí)際操作時由于一些偶然因素的影響，又會產(chǎn)生摩擦，使實(shí)驗(yàn)的誤差增大。比如，操作時如果沒注意調(diào)整，使打點(diǎn)計(jì)時器的限位孔、紙帶、小車的運(yùn)動方向不在一條直線上，此時摩擦對實(shí)驗(yàn)的影響就比較大。四是該實(shí)驗(yàn)處理數(shù)據(jù)的過程繁瑣，學(xué)生耗時較多。

為了解決上述問題，使實(shí)驗(yàn)操作簡便，誤差減小，本人對該實(shí)驗(yàn)的方案做了以下改進(jìn)：實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，此裝置中木板水平放置，小車摩擦力不需要平衡。當(dāng)釋放小車后，由于摩擦阻力的作用，小車最終停下來。由于學(xué)生在初中已經(jīng)知道摩擦生熱現(xiàn)象，并且在學(xué)習(xí)本章第一課時通過對“問題與練習(xí)”中問題的討論、分析，很容易接受橡皮筋儲存的彈性勢能通過克服摩擦力做功全部轉(zhuǎn)變成了內(nèi)能這一事實(shí)。而摩擦力做功公式為W=F_f?S，所以橡皮筋儲存的彈性勢能可表達(dá)為E璸=F_f?S。S是小車從釋放到停止所運(yùn)動的位移，若小車的質(zhì)量不變，則認(rèn)為小車在水平面上所受的摩擦力不變。所以探究橡皮筋彈性勢能與伸長量之間的關(guān)系就可以用探究小車運(yùn)動距離和橡皮筋伸長量之間的關(guān)系來代替了。另外該實(shí)驗(yàn)依然是采用圖象法處理數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)記錄、處理數(shù)據(jù)所需的表格如表1所示。

該方案的主要優(yōu)點(diǎn)是：①不需要再平衡摩擦力，并且摩擦力還是必須的。②不再使用打點(diǎn)計(jì)時器，避免了由打點(diǎn)計(jì)時器所帶來一些誤差。③避開了沒學(xué)過的知識E_k=1/2mv²，不顯突兀，學(xué)生從心理上能夠接受實(shí)驗(yàn)方案。④也不要再分析紙帶，大大減輕了所需記錄處理的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)量（如表1所示），使學(xué)生把主要精力、時間放在了實(shí)驗(yàn)的“探究”上。

該方案在實(shí)際操作時，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①細(xì)繩長度適當(dāng)大一些，保證小車在運(yùn)動到碰到細(xì)繩的固定點(diǎn)O前停止。②小車質(zhì)量適當(dāng)大一些（可配重），使小車受到的摩擦力大一些，這樣小車運(yùn)動的距離不至過大，便于測量多組數(shù)據(jù)。但是摩擦力也不可太大，否則小車釋放后，運(yùn)動距離較小，就會增大實(shí)驗(yàn)誤差。（本人實(shí)驗(yàn)時使用的小車質(zhì)量為400g，又配了500g的鉤碼）③在細(xì)繩上另外再系一根細(xì)繩（如圖1），實(shí)驗(yàn)時用手輕輕拎著以防止橡皮筋恢復(fù)原長后，堆積在桌面上，阻礙小車的運(yùn)動，造成較大的誤差。④是長木板必須保持水平，防止重力勢能參與彈性勢能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化，增大系統(tǒng)誤差。

經(jīng)以上改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)操作簡便，效果明顯，深受學(xué)生歡迎。

(欄目編輯王柏廬)