應(yīng)用“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的思考

陳燕 王加元

(江陰市成化高級(jí)中學(xué) 江蘇 江陰 214423)

馮杰

(上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院 上海 200235)

文獻(xiàn)[1]介紹了近幾年高考中以“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”裝置為基礎(chǔ)的6個(gè)探究性實(shí)驗(yàn).賞析了這些實(shí)驗(yàn)的探究思想,充分認(rèn)識(shí)這個(gè)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中探究性實(shí)驗(yàn)的代表.受到作者的啟發(fā),筆者結(jié)合實(shí)際教學(xué)談?wù)勗诟呷惠喌膹?fù)習(xí)中利用這一裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律這個(gè)實(shí)驗(yàn),為今后這類實(shí)驗(yàn)的教學(xué)提供參考.

下面的試題就是利用上述實(shí)驗(yàn)的變式探究機(jī)械能守恒定律.

【題目1】(2010年高考海南卷)利用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,實(shí)驗(yàn)裝置如圖1(a)所示.

圖1

(1)實(shí)驗(yàn)步驟

1)將氣墊導(dǎo)軌放在水平桌面上,桌面高度不低于1 m，將導(dǎo)軌調(diào)至水平；

2)用游標(biāo)卡尺測(cè)量擋光板的寬度l,結(jié)果如圖1(b)所示,由此讀出l=______mm；

3)由導(dǎo)軌標(biāo)尺讀出兩光電門中心之間的距離s=______cm；

4)將滑塊移至光電門1左側(cè)某處.待砝碼靜止不動(dòng)時(shí),釋放滑塊,要求砝碼落地前擋光條已通過(guò)光電門2；

5)從數(shù)字計(jì)時(shí)器(圖1(a)中未畫出)上分別讀出擋光條通過(guò)光電門1和光電門2所用的時(shí)間Δt1和Δt2；

6)用天平稱出滑塊和擋光條的總質(zhì)量M.再稱出托盤和砝碼的總質(zhì)量m.

(2)用代表直接測(cè)量出的物理量的符號(hào)寫出下列所求物理量的表達(dá)式

1)滑塊通過(guò)光電門1和光電門2時(shí)得瞬時(shí)速度分別為v1=______和v2=______；

2)當(dāng)滑塊通過(guò)光電門1和光電門2時(shí),系統(tǒng)(包括滑塊、擋光條、托盤和砝碼)的總動(dòng)能分別為Ek1=______和Ek2=______；

3)在滑塊從光電門1運(yùn)動(dòng)到光電門2的過(guò)程中,系統(tǒng)勢(shì)能的減少量ΔEp=______(重力加速度為g).

(3)如果ΔEp≈______,則可以認(rèn)為驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律.

答案:(1) 2)9.30； 3)60.00(59.96～60.04)

3)系統(tǒng)勢(shì)能減少量ΔEp=mgs.

(3)若ΔEp≈Ek2-Ek1,則可認(rèn)為系統(tǒng)機(jī)械能守恒.

點(diǎn)評(píng)：這個(gè)實(shí)驗(yàn)中使用的氣墊導(dǎo)軌和利用光電門求速度,有的學(xué)生對(duì)它很陌生.事實(shí)上在人教版《物理·必修1》科學(xué)漫步有介紹,這個(gè)實(shí)驗(yàn)恰到好處地挖掘了教材.但在高三復(fù)習(xí)時(shí),學(xué)生不重視課本,不愿意花時(shí)間研讀教材.這樣的策略導(dǎo)致越到后期越發(fā)覺得做物理題目不易得分,沒(méi)有成就感,害怕甚至不愿意做物理題;久而久之,興趣淡了,效果變差了.所以新課改倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí).在新課的教學(xué)中作為教師不可以圖一時(shí)的方便而忽略對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力的培養(yǎng).條件許可盡時(shí)，可能地把物理與STS結(jié)合,加強(qiáng)過(guò)程與方法的教學(xué),提高學(xué)生的動(dòng)手能力,培養(yǎng)學(xué)生的物理思維.

這樣的實(shí)驗(yàn)思想在其他試卷上也有體現(xiàn).

【題目2】(2010年江蘇省蘇錫常鎮(zhèn)四市調(diào)研試卷)某同學(xué)想利用如圖2(a)所示的裝置來(lái)驗(yàn)證由小車A與重物B組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒.

圖2

(1)提供的器材

A.小車 B.重物 C.一端帶有滑輪的長(zhǎng)木板

D.細(xì)繩 E.電火花計(jì)時(shí)器 F.紙帶

G.毫米刻度尺 H.低壓交流電源

I.220 V交流電源 J.6 V蓄電池 K.天平

實(shí)驗(yàn)中不需要的器材是______(填寫選項(xiàng)前的符號(hào)).

(2)對(duì)重物B質(zhì)量的選擇要求是______(填寫如下選項(xiàng)前的符號(hào)).

A.質(zhì)量大一些 B.質(zhì)量小一些

(3)主要實(shí)驗(yàn)步驟

A.用天平分別測(cè)出小車及重物的質(zhì)量為M，m

B.按圖安裝好裝置：將帶滑輪的平板水平放置,掛重物后,細(xì)繩須與木板平行

C.將小車?yán)量拷螯c(diǎn)計(jì)時(shí)器,接通電源,釋放小車

D.取下紙帶,并重復(fù)多次,得到幾條打點(diǎn)紙帶.選用點(diǎn)跡清晰的紙帶進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.

在該實(shí)驗(yàn)中有一重大疏漏,請(qǐng)考生指出并改正：____________.

(4)數(shù)據(jù)處理

將改正實(shí)驗(yàn)疏漏后得到的紙帶,去掉前面較密集的點(diǎn),選擇點(diǎn)跡清晰且便于測(cè)量的連續(xù)點(diǎn)0～6,測(cè)出各點(diǎn)間距離如圖2(b)所示,已知電火花計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)周期為T,要驗(yàn)證在第1點(diǎn)與第5點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)的機(jī)械能相等,則在誤差范圍內(nèi)應(yīng)滿足關(guān)系式____________.

答案：(1)由于在選項(xiàng)中提供三個(gè)電源,電火花計(jì)時(shí)器電源直接采用220 V交流電源,所以H，J這兩個(gè)器材不需要.

(2)A；

(3)應(yīng)平衡摩擦力；

(4)mg(d5-d1)=

點(diǎn)評(píng)：這道題目與2010年海南高考題的區(qū)別在于沒(méi)有提供氣墊導(dǎo)軌.氣墊導(dǎo)軌上有很多小孔,利用氣泵送來(lái)的壓縮空氣從小孔噴出,使得滑塊與導(dǎo)軌之間有一層薄薄的空氣,兩者不會(huì)直接接觸.滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力很小,幾乎可以忽略.而這一題中第(3)題設(shè)置要求學(xué)生平衡摩擦力.筆者認(rèn)為平衡摩擦力后,摩擦力做負(fù)功,系統(tǒng)機(jī)械能不守恒.事實(shí)上系統(tǒng)減少的重力勢(shì)能應(yīng)為小車和重物兩者減少的重力勢(shì)能之和.雖然為了減少小車重力勢(shì)能變化帶來(lái)的影響,在第(2)題中提出對(duì)重物質(zhì)量的要求:要求重物的質(zhì)量大一些,但在設(shè)計(jì)思想上這個(gè)實(shí)驗(yàn)不如2010年海南高考題嚴(yán)密.

鎮(zhèn)江市2010-2011學(xué)年度高三第一學(xué)期調(diào)研測(cè)試，再次將這個(gè)模型用于驗(yàn)證系統(tǒng)的機(jī)械能守恒.

【題目3】 某同學(xué)利用如圖2(a)所示的裝置來(lái)驗(yàn)證由小車與鉤碼組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒

(1)提供的器材

A.小車 B.鉤碼

C.一端帶滑輪的長(zhǎng)木板 D.細(xì)繩

E.電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器 F.紙帶

G.毫米刻度尺 H.游標(biāo)卡尺

I.低壓交流電源 J.220 V交流電源

實(shí)驗(yàn)中不需要的器材是______.(填寫器材前的符號(hào)),還需要的器材是______；

(2)為盡可能消除摩擦力對(duì)本實(shí)驗(yàn)的影響,使驗(yàn)證結(jié)果盡可能準(zhǔn)確,則小車質(zhì)量M和鉤碼質(zhì)量m的關(guān)系應(yīng)該滿足______;

(3)小明和小軍同學(xué)在做該實(shí)驗(yàn)時(shí),小明認(rèn)為只要采用平衡摩擦力的方法將摩擦力平衡掉就可以了,無(wú)須滿足(2)問(wèn)中小車質(zhì)量M和鉤碼質(zhì)量m的關(guān)系,而小軍卻否認(rèn)小明的看法,你認(rèn)為小明的看法______(選填“正確”或“不正確”),理由是______;

(4)兩位同學(xué)統(tǒng)一觀點(diǎn)后完成實(shí)驗(yàn),得到一條紙帶,去掉前面比較密集的點(diǎn),選擇點(diǎn)跡清晰且便于測(cè)量的連續(xù)7個(gè)點(diǎn)(標(biāo)號(hào)為0～6),測(cè)出相關(guān)距離如圖2(b)所示,要驗(yàn)證在第2點(diǎn)與第5點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)的機(jī)械能相等,則應(yīng)滿足關(guān)系式______.(設(shè)小車質(zhì)量M,鉤碼質(zhì)量m,打點(diǎn)周期為T.)

答案 (1)H，I；天平.

(2)M?m；

(3)不正確；平衡摩擦力后,摩擦力做負(fù)功,系統(tǒng)機(jī)械能不守恒.

(4)mg(d5-d2)=

點(diǎn)評(píng)：這道題第⑵問(wèn)盡可能消除摩擦力對(duì)本實(shí)驗(yàn)的影響,要求小車質(zhì)量遠(yuǎn)小于鉤碼質(zhì)量.筆者認(rèn)為,摩擦力的影響只能減至很小,談完全消除則不妥;在第(3)問(wèn)中小明同學(xué)的觀點(diǎn)不正確,理由是平衡摩擦力后,摩擦力做負(fù)功,系統(tǒng)機(jī)械能不守恒.似乎不做平衡摩擦力這步操作也可以完成實(shí)驗(yàn).若不做,系統(tǒng)減少的重力勢(shì)能就是鉤碼減少的重力勢(shì)能,系統(tǒng)增加的動(dòng)能為小車和鉤碼增加的動(dòng)能之和,肯定有ΔEp減大于ΔEk增；主要在于克服小車所受的摩擦力做功,即為μMg(d5-d2).所以要減小摩擦力的影響,必須使小車質(zhì)量相對(duì)很小,即M?m.若完成平衡摩擦力這步操作,系統(tǒng)的機(jī)械能也不守恒, 對(duì)系統(tǒng)而言,小車和鉤碼重力勢(shì)能的減少不僅增加了系統(tǒng)的動(dòng)能,而且用于克服小車所受的摩擦力做功.其中小車的重力勢(shì)能的減少用于克服小車受到的摩擦力做功,從驗(yàn)證用的表達(dá)式看:只能說(shuō)鉤碼重力勢(shì)能的減少更接近于系統(tǒng)動(dòng)能的增量.

在操作平衡摩擦力時(shí),克服摩擦力做功一定小于μMg(d5-d2),即小車重力勢(shì)能的減少必定小于μMg(d5-d2).相比于兩種做法,兩種情況下“系統(tǒng)”的機(jī)械能都不守恒.但筆者認(rèn)為在滿足小車的質(zhì)量M遠(yuǎn)小于鉤碼的質(zhì)量m的前提下,還是操作平衡摩擦力系統(tǒng)的誤差會(huì)小些.

三道題目皆來(lái)源于課本并高于課本,很好地挖掘了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn),并在原實(shí)驗(yàn)上有創(chuàng)新.實(shí)踐表明學(xué)生的得分率不高,尤其搞不定小車質(zhì)量與下面懸掛物(重物或鉤碼)兩者質(zhì)量應(yīng)滿足的關(guān)系,易與探究加速度與力的關(guān)系這個(gè)實(shí)驗(yàn)中兩者的關(guān)系混淆.評(píng)講時(shí)學(xué)生能理解,在實(shí)戰(zhàn)時(shí)學(xué)生有畏難情緒,不愿仔細(xì)分析,憑著記憶寫一下,導(dǎo)致得分率不高.

顯然3個(gè)題目中2010年的全國(guó)高考海南卷的質(zhì)量更高一籌,那個(gè)實(shí)驗(yàn)既考查刻度尺與游標(biāo)卡尺兩種不同長(zhǎng)度測(cè)量工具的讀數(shù),又融合驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律這個(gè)實(shí)驗(yàn),將氣墊導(dǎo)軌應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)中,有效地減小了摩擦的影響.另兩題的設(shè)計(jì)也能有效地培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題的能力.

參考文獻(xiàn)

1 藍(lán)坤彥.“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”經(jīng)典實(shí)驗(yàn)題的精彩變式.中學(xué)物理教學(xué)參考,2011(03):36～38