探究做功與速度變化的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新案例

探究做功與速度變化的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新案例“探究功與物體速度變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)是新課程標(biāo)準(zhǔn)人教版教材（必修2）第七章《機(jī)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(guò)實(shí)驗(yàn)探究：對(duì)原來(lái)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(yàn)探究的過(guò)程，提高理論聯(lián)系實(shí)際的水平；為下一節(jié)“動(dòng)能和動(dòng)能定理”的理論推導(dǎo)奠定一個(gè)認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)；通過(guò)本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)，也可以促使學(xué)生在學(xué)習(xí)動(dòng)能定理后能比較深刻地認(rèn)識(shí)到動(dòng)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(shí)驗(yàn)方案是：通過(guò)探究女生束頭發(fā)用的橡皮筋的彈力拉動(dòng)小車做功使小車獲得動(dòng)能，來(lái)體驗(yàn)橡皮筋做的功與小車速度變化的關(guān)系，如圖1（見(jiàn)普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理必修2·第七章機(jī)械能守恒定律第六節(jié)實(shí)驗(yàn)：探究功與速度變化的關(guān)系）所示。

圖1教材提供實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路：實(shí)驗(yàn)中用橡皮筋的彈力拉動(dòng)小車做功使小車獲得動(dòng)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(méi)有現(xiàn)成的公式可以計(jì)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(shí)做的功就是2W，……依此類推,可以找出功和速度變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)方法巧妙地避開(kāi)了應(yīng)用功的公式計(jì)算恒力功的大小，設(shè)計(jì)思路充分體現(xiàn)了探究的精神。這是本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路的優(yōu)點(diǎn)。然而，從2004年到現(xiàn)在，一線教師在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)操作技巧要求很高,實(shí)驗(yàn)操作難度較大,存在著多方面的問(wèn)題。1、橡皮筋的問(wèn)題：橡皮筋會(huì)影響小車的“勻速運(yùn)動(dòng)”；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(shí)驗(yàn)誤差更大。2、小車的問(wèn)題：無(wú)法保證小車在木板上的運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)量相同時(shí),小車初始受力較大,其在加速時(shí)間內(nèi)獲得的速度也就較大,如果木板偏短,會(huì)造成紙帶上能打出的點(diǎn)數(shù)過(guò)少,因此在紙帶打點(diǎn)的過(guò)程中,就不能看出小車做勻速運(yùn)動(dòng),因而也就無(wú)法測(cè)出與橡皮筋做功過(guò)程相對(duì)應(yīng)的小車的末速度。3、鐵釘?shù)膯?wèn)題：鐵釘固定和拔下都比較困難，且會(huì)阻擋小車的運(yùn)動(dòng)。4、平衡摩擦力問(wèn)題：實(shí)驗(yàn)中平衡摩擦力的實(shí)際操作比較困難。老師們針對(duì)以上的缺陷進(jìn)行了改進(jìn)。還有的應(yīng)用等高斜面上滾下的物體做平拋運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。經(jīng)研究分析，這些改進(jìn)，對(duì)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?jiàn)參考資料）老一輩的物理學(xué)家曾提倡用瓶瓶罐罐做物理實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)代的劉炳昇教授也是這種觀點(diǎn)。物理實(shí)驗(yàn)要力求原理簡(jiǎn)單，學(xué)生容易理解；實(shí)驗(yàn)器材來(lái)源于生活，制作難度?。粚?shí)驗(yàn)過(guò)程要有趣，操作簡(jiǎn)單、方便更好。用小的實(shí)驗(yàn)、簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)解決大問(wèn)題、復(fù)雜問(wèn)題，達(dá)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(jī)塑料管（內(nèi)置彈簧）研究對(duì)象彈射裝置（和彈簧連接）底座半圓弧槽（帶刻度）扳機(jī)塑料管（內(nèi)置彈簧）研究對(duì)象彈射裝置（和彈簧連接）圖2做功和速度變化探究?jī)x采用約750mm×45mm×50mm的勻質(zhì)松木（盡可能使動(dòng)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(duì)象（廢舊1號(hào)干電池或金屬圓柱體、木質(zhì)圓柱體等）在其中做直線運(yùn)動(dòng)。在凹槽的端點(diǎn)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(zhǎng)度約L=127mm、匝數(shù)n=12、螺距為12mm、直徑30mm的彈簧。實(shí)驗(yàn)原理：壓縮了的彈簧，能對(duì)研究對(duì)象做功，對(duì)象獲得動(dòng)能（速度）。使對(duì)象緊靠彈簧的活動(dòng)端，將彈簧壓縮不同的量，扣動(dòng)扳機(jī)，彈簧可對(duì)對(duì)象做不同的功，對(duì)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(yùn)動(dòng)。對(duì)勻減速直線運(yùn)動(dòng)的處理，學(xué)生已具備一定的知識(shí)：知道，即。通過(guò)測(cè)量對(duì)象勻減速運(yùn)動(dòng)的加速度為，滑動(dòng)的位移s，可以知道v0的大小。而v0是壓縮后的彈簧對(duì)對(duì)象做功后使對(duì)象獲得的初速度。課本的實(shí)驗(yàn)是利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器進(jìn)行測(cè)量，有諸多不便。我們的設(shè)計(jì)思想是將這個(gè)速度的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)象滑動(dòng)位移s的測(cè)量。另外，壓縮彈簧對(duì)對(duì)象做功，學(xué)生可以利用進(jìn)行計(jì)算，這樣對(duì)彈簧做功的測(cè)量就轉(zhuǎn)化成了對(duì)彈簧壓縮量的測(cè)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(guò)實(shí)驗(yàn)，如果能證明，也就證明了。實(shí)驗(yàn)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(hào)干電池做的實(shí)驗(yàn)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(hào)干電池做的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，得到的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1利用excel表格處理的結(jié)果從圖像來(lái)分析，這次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的效果。木質(zhì)圓柱體離開(kāi)彈簧后在圓弧槽中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生自轉(zhuǎn)，損失一部分動(dòng)能；同時(shí)，對(duì)象自轉(zhuǎn)的過(guò)程中和圓弧槽的接觸部位不同，動(dòng)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(dòng)的因素，重新實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果可以看出，利用這個(gè)儀器可以得到。誤差分析：這個(gè)儀器帶來(lái)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(duì)象做功可忽略時(shí)，=，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(dòng)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(shí)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，這個(gè)誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果影響不是很大。這個(gè)儀器可以用來(lái)探究“做功和物體速度變化的關(guān)系”。我們也有兩個(gè)減小誤差的設(shè)想供大家參考。一是在研究對(duì)象離開(kāi)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(duì)象隔開(kāi)。本實(shí)驗(yàn)儀器像個(gè)玩具，優(yōu)點(diǎn)是增加了趣味性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可通過(guò)刻度直接讀出，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程簡(jiǎn)單。這個(gè)自制實(shí)驗(yàn)器材還可以測(cè)量勻質(zhì)松木與研究對(duì)象之間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)。也可以用來(lái)驗(yàn)證動(dòng)能定理。參考資料：1、《教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)》2010年05期探究功與物體速度變化關(guān)系實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)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(shí)驗(yàn)的改進(jìn)李全旺

3、《物理教師》2011年11期對(duì)“探究功與物體速度變化關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)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(shí)驗(yàn)的改進(jìn)陳顯盈

尤愛(ài)惠

5、《中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備》2007年05期“探究功與物體速度變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的DIS補(bǔ)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(shí)驗(yàn)儀器的制作馬順存7、《新高考(物理化學(xué)生物)》2009年03期實(shí)驗(yàn):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(shí)驗(yàn)方案劉霽華

9、《物理教學(xué)》2008年06期對(duì)“探究功與物體速度變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)HYPERLINK