探究功与速度的关系改进实验

探究功与速度的关系改进实验

丁高杰 魏亚锋

河南省巩义市第四高级中学 河南 巩义 451200

摘要：本文重新设计实验方案，吸收课本实验优点“倍增法”，采用光滑不锈钢杆引导重物重力做功、光电计时器测速度的方法来研究功与物体速度变化的关系。在数据处理上采用描点法和excel数表法。本实验操作简单高效。这个实验方案的优点是简单高效，实验误差较小，与事实符合的较好，可以在一节课内达到实验目的。这套器材还可以验证自由落体运动加速度，验证机械能守恒等实验。

关键词：探究；功与速度；创新；实验

本节内容起着承前启后的作用，本节内容是寻求动能表达式的实验探究过程，下节内容（动能和动能定理）是寻求动能表达式的理论探究过程，本节内容的实验探究为下节内容的理论探究奠定了一个实践认识基础，起到很好的铺垫作用。我们先来看一下课本实验方案图。

教科书在本节安排了两种实验方案，第一种方案采用恒力做功，研究拉力做功与小车速度之间的关系。这个方案的优点是恒力做功，学生易接受，难点在于平衡摩擦力、小车质量控制、瞬时速度的计算。第二种方案采用变力做功，优点是变力做功更具有普遍性，难点是很难找到完全一致的橡皮筋，并且平衡摩擦力时不好操作，小车质量不好控制以及无法准确找到纸带上匀速运动的位置。

接下来我们看一下新实验方案。

实验器材：光电门一个，数字电子计时器（含一台笔记本电脑），带底座、方木块及刻度尺的支架一个，两端分别固定在底座和方木块上的光滑竖直不锈钢杆一根，带遮光条的重物（套在不锈钢杆上）一个，润滑油，学生用10cm刻度尺两把，游标卡尺一把。

实验原理：让重物从静止下落10cm的高度，重力做功记为W，由光电门记录遮光时间Δt，得出重物通过光电门的速度，V=ΔS/Δt （ΔS为遮光片的宽度）。同理，改变重物下落的高度为10cm的整数倍，得到相应重力做的功，分别计算出物体在不同高度通过光电门的速度，能够找到重力做的功与物体速度变化的关系，速度的变化△V=（V₂-V₁）,V₁=0。

实验过程：

1.实验步骤：

(1)安装好实验器材，用游标卡尺量出遮光片的宽度。

(2)第一次把重物在对应刻度尺上20cm的高度静止释放，重力做的功记作W（注意用遮光片的下沿对准20cm刻度），由光电门记录遮光时间，得出速度,在此高度重复做两次，得出两次速度的平均值。

(3)用同样的方法，重物在30cm、40cm、50cm、60cm处释放，重力做的功分别记作2W、3W、4W、5W,分别求出重物通过光电门的速度。

(4)分析数据，尝试用描点法、EXCEL表格法作出W-V、W-V²等的图像。

2.数据处理

（1）速度数值的获得：用光电门记录遮光片通过光电门的时间，用遮光片的宽度除以时间，得到遮光片通过光电门的瞬时速度。

(2)计算重物做的功分别为W、2W、3W、4W、5W时对应的V、V²、V³等的数值，填入表格。

3. 用描点法处理实验数据

依据实验测得的数据，用描点法分别作出W与V、W与V²、W与V³等图像，观察图像，找到功与速度的关系。

（4）用EXCEL软件处理实验数据

在EXCEL工作薄的某一列的单元格中依次输入几次测量的速度值，在相邻的另一列输入对应的功，用鼠标选中这些数据后，按照“插入-图表-图表类型-散点图”的提示得到所需的图像。

需要注意的是，操作过程需要“添加趋势线”，在“类型”标签中有几种可以选择的函数。实验应该逐步尝试线性函数、指数函数、幂函数等。

实验注意事项：

1.重物释放时需两位同学用刻度尺配合，最大限度减小下落高度误差。2.下落时手尽量不要抖动，如果抖动，重做一次。3.重物下落时不能与光电门碰撞，否则重做一次。4.数据记录及时准确。

5. 误差分析与改进措施

1. 误差来源分析

1. 操作过程中实验台的晃动，会影响高度的测量和摩擦力的大小。

2. 释放重物时手的抖动，会影响高度的准确性，可能会给重物一个初速度。

3. 空气和摩擦阻力会影响实验的准确性。

4. 直尺是否完全竖直会影响高度的准确性。

5. 遮光片过宽或过窄也会影响实验的精确性。

2. 改进措施

1. 加装电磁铁,由电磁铁控制重物下落。

2. 将木制支架改为铝合金支架，更加稳定。

3. 选取质量更大、体积更小的重物，以减小空气阻力。

结束语：本文实际上是一个创新实验，探究功与速度关系的课本实验有诸多缺点，我们一线教师在教学过程中要善于开发改进教材实验，让我们的教学更加高效。

参考文献：

1. 张维善.高一物理必修二[M].北京:人民教育出版社,2010:4.

本文系2019年度河南省基础教育教学研究项目《普通高中物理创新实验实践研究》（课编号：JCJYC19061909）研究成果。