“探究功與速度變化的關(guān)系”實驗的再改進*

梅宇航

(江蘇省鎮(zhèn)江第一中學 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

1 相關(guān)背景分析

“實驗：探究功與速度變化的關(guān)系”力圖通過“功”這一橋梁把速度與動能聯(lián)系起來，為下一節(jié)研究動能與動能定理提供鋪墊，人民教育出版社出版的2010年4月第3版高一《物理·必修2》教材中給出兩個參考案例：

參考案例一如圖1所示，由重物提供牽引力，通過改變重物質(zhì)量或小車運動的距離，改變牽引力做功；參考案例二如圖2所示，由橡皮筋提供牽引力，通過改變橡皮筋的條數(shù)，用倍增的原理，研究牽引力對小車做的功與小車速度變化的關(guān)系.

圖1 由重物提供牽引力

圖2 由橡皮筋提供牽引力

但在實際教學中，筆者發(fā)現(xiàn)有以下幾點不足：

(1)兩個參考案例均需要先平衡摩擦力，而多次調(diào)試木板傾角費時費力，直接影響到學生探究的積極性.

(2)為求得速度，兩個參考案例均用到了高中物理中司空見慣的打點計時器，但是本實驗至少要5～6條紙帶，顯然數(shù)據(jù)處理繁瑣耗時，特別是參考案例二，要找出勻速階段的點跡，再計算速度，誤差較大.

(3)案例二中橡皮筋規(guī)格難以統(tǒng)一，實際操作發(fā)現(xiàn)當橡皮筋的條數(shù)增加到5條時，由于勁度系數(shù)大大增加，小車加速度很大，容易“脫軌”，摔在地上，使實驗失敗.

(4)為避免案例二中小車碰到固定橡皮筋的釘子，增加橡皮筋的穩(wěn)定性，從便于操作考慮，在江蘇人民出版社出版的《高中物理實驗報告冊》必修二全國版中，實驗改進為將橡皮筋用兩個釘子固定，如圖3所示，但依然存在上述(1)～(3)的缺點.

圖3 案例二改進

(5)在2014—2018年期間，不少研究者分別在《物理教師》《實驗教學與儀器》《物理通報》《物理教學探討》等雜志中對這一實驗進行改進[1～5]，改進的實驗可以概括為自由落體法、重物牽引法、橡皮筋彈射法、彈弓彈射法.實驗中為了減少阻力，大都使用氣墊導(dǎo)軌；為避免復(fù)雜運算，也都借助于光電門傳感器.這些改進使得小車所受阻力大大減少，實驗結(jié)果更加精確.但同時對學生動手能力提出更高要求，而且受條件限制，大部分中學的物理實驗室難以大規(guī)模配備氣墊導(dǎo)軌和光電門，顯然上述改進實驗不利于大面積推廣，正是由于以上種種原因，對該實驗的改進需要另辟蹊徑.

2 實驗改進方案

基于上述實驗存在的不足，筆者對實驗裝置進行改進，得到一個較佳的解決方案.

2.1 實驗器材

制作說明：實驗主材為透明亞克力板材，其特點是容易切割，不易變形，實驗可以選取5 mm厚度板材，按照圖4尺寸進行切割，其中⑤為直徑1.4 cm的亞克力管子，中間兩側(cè)對稱開槽，以便于控制管內(nèi)彈簧長度，接著按照圖5裝置用專用膠水進行粘連組裝，圖6為實物圖，為便于檢查鋼球落點位置，在底座鋪上復(fù)寫紙.

圖4 亞克力板材切割尺寸圖

圖5 實驗裝置示意圖

圖6 實驗裝置實物圖

2.2 實驗操作說明與創(chuàng)新之處

2.2.1 主要操作說明

(1)將實驗裝置放置在桌上，用水平儀確保桌面處于水平.

(2)將彈簧放置在管內(nèi)，與管內(nèi)底部接觸，記下此時彈簧長度l0.

(3)將鋼球放入管內(nèi)，由兩側(cè)控制鋼球，壓縮彈簧，記下此時彈簧長度l.

(4)快速釋放鋼球，測量鋼球落點到管口的水平位移s.

(5)重復(fù)實驗，得到多組實驗數(shù)據(jù).

2.2.2 實驗創(chuàng)新之處

(1)將橡皮筋換成彈簧，相比橡皮筋，彈簧勁度系數(shù)穩(wěn)定且大小合適，實驗精確度較高.

(2)鋼球替代小車，縮短彈簧作用距離，阻力大大減少，這樣避免了平衡摩擦力，省時.

(3)亞克力透明管子兩側(cè)對稱開槽，方便控制彈簧的壓縮量.

(4)利用平拋運動求速度，直觀形象，簡單易懂，不用處理紙帶，省力.

3 實驗數(shù)據(jù)處理與再改進

每一次彈簧的形變量由Δx=l-l0計算得出，對應(yīng)的8組實驗數(shù)據(jù)如表1所示，以形變量為橫坐標，水平位移s為縱坐標，利用Excel作圖得到圖7，可以清楚地看到兩者成正比，即Δx∝s.

表1 實驗數(shù)據(jù)

圖7 平拋水平位移與彈簧壓縮量的關(guān)系

要最終得到功與速度變化的關(guān)系，還需要借助功能關(guān)系，利用前一節(jié)所學的彈簧彈性勢能表達式間接得到彈簧做功的多少.即

(1)

有了平拋運動的基礎(chǔ)，學生知道在高度一定的情況下，水平位移與初速度成正比，即

(2)

最后由式(1)、(2)，結(jié)合實驗結(jié)論，可以推導(dǎo)如下

(3)

即功與速度變化的平方成正比，如果將復(fù)寫紙換成雙面膠，平拋運動的小鋼球會依次粘在雙面膠上，如圖8所示，從圖8可以看出小球排列大致均勻，實驗結(jié)果形象直觀，提高了學生探究的樂趣，更加有利于學生對基本知識的理解和掌握.

圖8 鋼球依次排列

4 總結(jié)與反思

本節(jié)在“探究彈性勢能的表達式”之后，利用本實驗裝置進行探究，從邏輯層面，更有利于知識的連續(xù)，而且通過彈簧彈力這種變力做功的形式進行實驗探究，會使得結(jié)論更具有一般性.

當然，實驗不是唯一的探究方式也不一定是最佳的探究方式，如果教學中先安排理論探究恒力做功與速度變化的關(guān)系再進行實驗探究，理論探究與實驗探究并重且結(jié)論相互支撐，會使學生更深層次地體驗科學探究的過程與方法，更有利于物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng).