探究做功與速度變化的關(guān)系的實驗創(chuàng)新案例

探究做功與速度變化的關(guān)系的實驗創(chuàng)新案例“探究功與物體速度變化的關(guān)系”實驗是新課程標(biāo)準(zhǔn)人教版教材（必修2）第七章《機械能及其守恒定律》，第六節(jié)《探究功與物體速度變化的關(guān)系》。教材安排此節(jié)的主要意圖是，通過實驗探究：對原來靜止的物體做功，與物體獲得的速度的關(guān)系。目的是為了讓學(xué)生經(jīng)歷和體驗探究的過程，提高理論聯(lián)系實際的水平；為下一節(jié)“動能和動能定理”的理論推導(dǎo)奠定一個認(rèn)識基礎(chǔ)；通過本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)，也可以促使學(xué)生在學(xué)習(xí)動能定理后能比較深刻地認(rèn)識到動能定理不僅在恒力做功的條件下成立，在變力做功的條件下也是成立的。教材提供的實驗方案是：通過探究女生束頭發(fā)用的橡皮筋的彈力拉動小車做功使小車獲得動能，來體驗橡皮筋做的功與小車速度變化的關(guān)系，如圖1（見普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理必修2·第七章機械能守恒定律第六節(jié)實驗：探究功與速度變化的關(guān)系）所示。

圖1教材提供實驗實驗的設(shè)計思路：實驗中用橡皮筋的彈力拉動小車做功使小車獲得動能，探究橡皮筋做的功與小車速度變化的關(guān)系。橡皮筋的彈力是變力，屬變力做功，沒有現(xiàn)成的公式可以計算功的大小。但是在相同的位移情況下，用一條橡皮筋做的功為W，用兩條橡皮筋時做的功就是2W，……依此類推,可以找出功和速度變化的對應(yīng)關(guān)系。實驗方法巧妙地避開了應(yīng)用功的公式計算恒力功的大小，設(shè)計思路充分體現(xiàn)了探究的精神。這是本實驗設(shè)計思路的優(yōu)點。然而，從2004年到現(xiàn)在，一線教師在教學(xué)實踐過程中發(fā)現(xiàn)，該實驗操作技巧要求很高,實驗操作難度較大,存在著多方面的問題。1、橡皮筋的問題：橡皮筋會影響小車的“勻速運動”；學(xué)生操作不是十分方便；橡皮筋勁度系數(shù)不一定相同，造成的實驗誤差更大。2、小車的問題：無法保證小車在木板上的運動軌跡是一條直線；由于小車質(zhì)量太小,當(dāng)加上多條橡皮筋伸長量相同時,小車初始受力較大,其在加速時間內(nèi)獲得的速度也就較大,如果木板偏短,會造成紙帶上能打出的點數(shù)過少,因此在紙帶打點的過程中,就不能看出小車做勻速運動,因而也就無法測出與橡皮筋做功過程相對應(yīng)的小車的末速度。3、鐵釘?shù)膯栴}：鐵釘固定和拔下都比較困難，且會阻擋小車的運動。4、平衡摩擦力問題：實驗中平衡摩擦力的實際操作比較困難。老師們針對以上的缺陷進行了改進。還有的應(yīng)用等高斜面上滾下的物體做平拋運動進行實驗。經(jīng)研究分析，這些改進，對于高中生在一節(jié)課內(nèi)完成探究任務(wù)，還是比較困難，我們還認(rèn)為不可?。ㄔ斠妳⒖假Y料）老一輩的物理學(xué)家曾提倡用瓶瓶罐罐做物理實驗，現(xiàn)代的劉炳昇教授也是這種觀點。物理實驗要力求原理簡單，學(xué)生容易理解；實驗器材來源于生活，制作難度小；實驗過程要有趣，操作簡單、方便更好。用小的實驗、簡單的實驗解決大問題、復(fù)雜問題，達到四兩拔千斤的功效。這樣，我們的物理學(xué)習(xí)也就走下神秘的神壇，更加貼近生活，易于學(xué)生接受，更具親和力。底座半圓弧槽（帶刻度）扳機塑料管（內(nèi)置彈簧）研究對象彈射裝置（和彈簧連接）底座半圓弧槽（帶刻度）扳機塑料管（內(nèi)置彈簧）研究對象彈射裝置（和彈簧連接）圖2做功和速度變化探究儀采用約750mm×45mm×50mm的勻質(zhì)松木（盡可能使動摩擦因數(shù)μ相同），上表面刨出橫截面是圓弧形的凹槽，槽的直徑約35mm。以利于被做功的物體即研究對象（廢舊1號干電池或金屬圓柱體、木質(zhì)圓柱體等）在其中做直線運動。在凹槽的端點固定一透明塑料管，管內(nèi)有一勁度系數(shù)約k=376.89N/m、原長度約L=127mm、匝數(shù)n=12、螺距為12mm、直徑30mm的彈簧。實驗原理：壓縮了的彈簧，能對研究對象做功，對象獲得動能（速度）。使對象緊靠彈簧的活動端，將彈簧壓縮不同的量，扣動扳機，彈簧可對對象做不同的功，對象獲得不等量速度，將在槽內(nèi)做位移不等的勻減速直線運動。對勻減速直線運動的處理，學(xué)生已具備一定的知識：知道，即。通過測量對象勻減速運動的加速度為，滑動的位移s，可以知道v0的大小。而v0是壓縮后的彈簧對對象做功后使對象獲得的初速度。課本的實驗是利用打點計時器進行測量，有諸多不便。我們的設(shè)計思想是將這個速度的測量轉(zhuǎn)化為對象滑動位移s的測量。另外，壓縮彈簧對對象做功，學(xué)生可以利用進行計算，這樣對彈簧做功的測量就轉(zhuǎn)化成了對彈簧壓縮量的測量。綜上所述，我們探究做功和速度的變化關(guān)系就轉(zhuǎn)化成了和，探究x和s指間的關(guān)系。通過實驗，如果能證明，也就證明了。實驗結(jié)果：如記錄數(shù)據(jù)的表格和處理結(jié)果。位移和彈簧的壓縮量平方近似于線性關(guān)系。下面是我們用廢舊1號干電池做的實驗結(jié)果彈簧的形變量（mm）形變量的平方電池的位移（mm）14924014972452025418341168138843612962855331089245626676185722484131819361104廢舊1號干電池做的實驗數(shù)據(jù)利用excel表格處理結(jié)果我們還用木質(zhì)的圓柱體做了實驗，得到的實驗數(shù)據(jù)記錄如下彈簧的形變量（mm）形變量的平方木質(zhì)圓柱的位移（mm）11728972219361933204001134224841455256251746298412407319612588341156377木質(zhì)圓柱體實驗數(shù)據(jù)1利用excel表格處理的結(jié)果從圖像來分析，這次的實驗結(jié)果沒有達到預(yù)期的效果。木質(zhì)圓柱體離開彈簧后在圓弧槽中運動時會發(fā)生自轉(zhuǎn)，損失一部分動能；同時，對象自轉(zhuǎn)的過程中和圓弧槽的接觸部位不同，動摩擦因數(shù)不一樣，摩擦力做功差異較大，所以結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。我們找到原因后，消除了木質(zhì)圓柱體轉(zhuǎn)動的因素，重新實驗，數(shù)據(jù)記錄如下。彈簧的形變量(mm)形變量的平方木質(zhì)圓柱的位移(mm)1214411412245761903287842454309002845341156356637136937173915214448411681480木質(zhì)圓柱體實驗數(shù)據(jù)2實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果可以看出，利用這個儀器可以得到。誤差分析：這個儀器帶來的系統(tǒng)誤差一是彈射階段，因摩擦力作用，不嚴(yán)格等于。在彈射距離短，凹槽較光滑的情況下，摩擦力研究對象做功可忽略時，=，可得。二是木槽，木質(zhì)圓柱體的木紋不平行，形成了類似步槍的膛線，導(dǎo)致木質(zhì)圓柱體自轉(zhuǎn)，因自轉(zhuǎn)摩擦而損失一部分動能，導(dǎo)致不嚴(yán)格等于。若把木質(zhì)圓柱體改成干電池，或設(shè)法消除木紋，自轉(zhuǎn)現(xiàn)象可減小很多。此時。從實驗結(jié)果分析，這個誤差對實驗的結(jié)果影響不是很大。這個儀器可以用來探究“做功和物體速度變化的關(guān)系”。我們也有兩個減小誤差的設(shè)想供大家參考。一是在研究對象離開彈簧前，與它接觸的塑料管改成更加光滑的薄鋼管；二是設(shè)法用氣墊將塑料管和研究對象隔開。本實驗儀器像個玩具，優(yōu)點是增加了趣味性，實驗結(jié)果可通過刻度直接讀出，實驗數(shù)據(jù)處理過程簡單。這個自制實驗器材還可以測量勻質(zhì)松木與研究對象之間的滑動摩擦因數(shù)。也可以用來驗證動能定理。參考資料：1、《教學(xué)儀器與實驗》2010年05期探究功與物體速度變化關(guān)系實驗的改進朱克法

廖光紅

2、《中學(xué)物理》2011年13期探究功與速度變化關(guān)系實驗的改進李全旺

3、《物理教師》2011年11期對“探究功與物體速度變化關(guān)系”實驗的改進王輝

4、《中學(xué)物理》2012年19期“探究功與物體速度變化關(guān)系”實驗的改進陳顯盈

尤愛惠

5、《中小學(xué)實驗與裝備》2007年05期“探究功與物體速度變化的關(guān)系”實驗的DIS補充吳志山

張季峰6、《湖南中學(xué)物理》2009年09期探究功與速度變化關(guān)系實驗儀器的制作馬順存7、《新高考(物理化學(xué)生物)》2009年03期實驗:探究功與速度變化的關(guān)系李憲峰

8、《物理教學(xué)探討》2008年13期“探究功與速度變化的關(guān)系”的幾種實驗方案劉霽華

9、《物理教學(xué)》2008年06期對“探究功與物體速度變化的關(guān)系”實驗改進HYPERLINK