對“探究功與速度變化的關(guān)系”實驗的分析及改進(jìn)

鄧慶波

(黃石市二中 湖北 黃石 435003)

人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書《物理·必修2》在“探究功與速度變化的關(guān)系”的實驗中，采用的是橡皮筋的彈力做功使小車獲得動能，以探究橡皮筋彈力做功與小車速度的關(guān)系，如圖1.

圖1

該實驗精妙之處就在于回避了功的計算.橡皮筋的彈力做功是變力做功，不能用功的公式W=Fscosα計算.但在位移相同的情況下，如果一條橡皮筋對小車做功為W時，則兩條橡皮筋對小車做的功就是2W，三條橡皮筋對小車做功為3W，依次類推.這種處理方法，把不便于用公式進(jìn)行計算的橡皮筋對小車的彈力的功轉(zhuǎn)化為用橡皮筋的條數(shù)代替.實驗設(shè)計新穎、巧妙，但也有不足之處，分析如下.

1 原實驗的不足

(1)實驗對橡皮筋要求高.實驗中選用多條橡皮筋時，其長度、粗細(xì)不一，使得橡皮筋的拉力對小車做功與橡皮筋的條數(shù)不成正比.

(2)由于實驗器材和每次操作過程的離散性，特別是在改變橡皮筋的條數(shù)后，紙帶上反映勻速運動的點的位置(即小車受力為零的位置)不一定都在預(yù)先設(shè)定的點位置之后.

(3)實驗中橡皮筋增至4根以上時，由于彈力過大，小車速度過大，紙帶上打出的點數(shù)少，以致找不出小車勻速運動時所打的點，還容易出現(xiàn)小車損壞等情況.

(4)在增加橡皮筋條數(shù)時，耗時較多，還很難達(dá)到實驗要求.

2 實驗的改進(jìn)

為了不影響實驗的效果和進(jìn)程，讓實驗更具有可操作性，可對該實驗進(jìn)行改進(jìn).

(1)改進(jìn)方案

采用一端裝有輕質(zhì)滑輪的長木板，用一根細(xì)繩一端系在小車上，另一端通過滑輪掛上鉤碼.用墊塊將長木板固定有定滑輪的一端墊起，調(diào)整長木板的傾角，直到輕推小車后，小車沿長木板向下做勻速直線運動.然后保持長木板的傾角不變，取下細(xì)線和鉤碼，讓小車沿長木板向下做勻加速直線運動.同時，打點計時器在紙帶上打出一系列的點.如圖2.

圖2

改進(jìn)后小車在勻加速下滑過程中所受合外力恒定，其大小等于鉤碼重力大小.我們探究小車合外力做功與小車速度的關(guān)系.小車合外力做功等于鉤碼重力大小與小車位移的乘積，小車位移可直接從紙帶上測量，小車速度也可從紙帶上進(jìn)行求解.

(2)改進(jìn)實驗的優(yōu)點

1)巧妙地將小車合外力轉(zhuǎn)化為恒力處理，小車合外力的功容易計算;

2)實驗誤差小，易于操作，而又不失巧妙與創(chuàng)新;

3)該改進(jìn)還可用于牛頓第二定律的實驗研究;

4)實驗數(shù)據(jù)處理方法學(xué)生熟悉，實驗數(shù)據(jù)的處理方便快捷，誤差小.