對“恒力做功與物體動能變化的關系”的實驗教學探討

摘要:在“恒力做功與物體功能變化的關系”的實驗教學中，通過讓學生分析比較幾種不同的實驗方案，體現探究式教學理念。

關鍵詞:實驗教學;探究

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2010)1(S)-0005-3

1 本實驗在教材中的地位

魯科版物理教材在必修2 第2章“能的轉化與守恒”的第1節“動能的改變”中引入了探究實驗“恒力做功與物體動能變化的關系”。以往的教材在動能定理這一節都是根據恒力做功、牛頓第二定律及勻變速運動的相關知識進行理論上的推導，直接得出動能定理。新教材在理論推導前先引入這一探究實驗，引入的目的是為了讓學生親身經歷和體驗科學探究的過程，通過探究過程，進一步提高學生科學探究的能力。

從本章的知識體系來看，通過探究實驗，是對動能定理的初步研究。讓學生從一個新的角度思考問題，即開始培養學生從功和能相互聯系的角度定量的分析解決力學問題。對學生來講，第一次將運動、力、功以及能量聯系在一起，為培養學生綜合分析問題打下基礎，也為動能定理的理論推導奠定了一個認識基礎。

2 關于實驗方案的設計與選擇的教學探討

課前教師要從教學設計及實驗器材的準備兩方面做充分的準備，積極創造條件讓學生親身經歷實驗探究過程。為此，教師首先要創設情景引出探究問題:力做功與物體動能改變大小之間有什么定量關系?接下來，指出本節課是從最簡單的情況(恒力做功)入手，設計實驗來探究恒力做功大小與物體動能改變大小的定量關系的。為了使問題更簡單明了，為探究限定兩個條件:(1)物體受恒定外力作用;(2)物體做直線運動。

教學過程中，先引導學生分析本實驗需要測量的物理量有:物體所受的合外力F、物體的位移S、物體的質量m、物體的速度v。物體的質量m可直接用天平測量，物體的位移S的測量可用刻度尺，因此在設計實驗方案時應著重考慮物體所受的合外力F、物體的速度v的測量。

接著，引導學生分析物體所受的合外力F、物體的速度v這兩個物理量的測量方法。首先分析物體的速度v的測量:在實驗室中常用的測量方法有兩種，一是利用打點計時器在紙帶上打下點跡，二是利用光電門和計時器。兩種方法各有長處:利用打點計時器在紙帶上打出的點跡測速度這種方法，所用器材屬于常規實驗器材，一般學校都具備這些器材，且學生對紙帶處理的方法較熟悉。用光電門和計時器測速度的方法，在數據處理上更為簡捷，但由于各個學校的條件有所不同，不一定有足夠的器材進行分組。因此在實驗方案的設計上采用方法一測量物體的速度v。

其次分析物體所受的合外力F的測量方法，這是本實驗設計的難點。學生通過小組討論得出幾種可能的實驗方案，教師再引導學生根據實驗的可行性、準確性(科學性)和可操作性加以對比分析。

方案1 如圖1所示，用彈簧測力計拉著木塊在水平長木板上運動。由彈簧測力計可直接讀出拉力的大小，通過打點計時器在紙帶上留下的點跡可求出物體運動的速度及位移，這是學生的第一反應就先想到的方案。但由于不知木塊和水平長木板間的滑動摩擦力，因此在實驗前必須先測出滑動摩擦力:用彈簧測力計拉著木塊在同一水平長木板上做勻速直線運動，就可測出滑動摩擦力的大小等于彈簧測力計的示數。但不管是在測滑動摩擦力還是具體的實驗過程中，都很難保證彈簧測力計的示數保持不變以及木塊沿著直線運動，這就導致木塊所受的合外力不是恒力，因此這個方案不適合用在本實驗探究上。

方案2 如圖2所示，利用重錘拉著紙帶做自由落體運動，通過打點計時器在紙帶上留下的點跡求出物體運動的速度及位移，就能進一步判斷合外力所做的功和物體的動能的變化之間的關系。這個方案的優點在于把重錘的重力直接當作是物體所受到的合外力，使得合外力的測量變得很簡單，且整個實驗過程的操作較為簡單。但是在按圖組裝實驗器材時，要求打點計時器的兩個限位孔在同一豎直面內，這在實際的調節中很難做到。而且，在實驗過程中，重錘帶著紙帶下落時，紙帶與打點計時器之間的摩擦阻力較大，根本不可以忽略，由此帶來的實驗誤差就很明顯。另外，從實驗的可操作性、可探究性的角度來說，這個實驗方案的探究性并不強，并不能達到教材安排這個實驗的目的。

方案3 如圖3所示，利用鉤碼的拉力對小車做功，讓打點計時器在固定于小車后面的紙帶上打點，通過打點計時器在紙帶上留下的點跡求出物體運動的速度及位移，就能進一步判斷合外力所做的功和物體的動能的變化之間的關系。

這個方案的優點在于利用重力的分力平衡了小車及紙帶受到的摩擦力，使小車所受的合外力的大小等于鉤碼所受的重力，這樣就巧妙解決了合外力的測量問題。

當然這個實驗方案同樣存在誤差問題。除了由測量鉤碼質量和測紙帶上各點間距帶來的偶然誤差外，還有兩個不可避免的誤差。一是因實驗原理不完善造成的系統誤差:在實驗中用鉤碼的重力m鉤g代替小車受到的拉力，實際上，系統的加速度a=m鉤gm鉤+m車，拉小車的力F=m車a=m鉤g1+m鉤m車

對比而言，這個方案的探究性較強，所以在魯科版的教材中就是采用這個實驗方案，在教學中也是學生按這個方案進行探究。

方案4 如圖4所示，用墊塊將帶有定滑輪的長木板一端適當墊起，用細線通過滑輪掛上鉤碼。反復調整長木板的傾角，直至輕推滑塊后，滑塊沿長木板向下做勻速直線運動。保持長木板的傾角不變，取下細繩和鉤碼，讓滑塊沿長木板向下做勻加速直線運動。打點計時器在固定于滑塊后面的紙帶上打下點跡，和前面的方案一樣，利用紙帶上留下的點跡所提供的信息進行數據處理。

方案4是方案3的改進，這個方案巧妙地解決了方案3中的系統誤差問題。如圖5所示，設長木板與水平實驗臺所構成的斜面的傾角為θ，滑塊的質量為m，當滑塊沿長木板向下做勻速直線運動時，滿足:m滑gsinθ-f-T=0。同時鉤碼勻速上升，滿足:T′-m鉤g=0，而由牛頓第三定律知:T′=T。聯立以上三個式子可得:m滑gsinθ-f=m鉤g。

而去掉細繩和鉤碼后，保持長木板的傾角不變。同一滑塊沿長木板向下做勻加速直線運動時，如圖6所示，滑塊所受的合外力:F=m滑sinθ-f，聯立上面的式子可得:F=m鉤g，即滑塊在勻加速下滑的過程中所受的合外力大小等于鉤碼的重力，與滑塊和鉤碼之間的質量關系無關。

當然這個方案也有明顯的不足之處。一是長木板的傾角的調節有相當的難度。二是若要重復做幾次實驗，多收集幾組不同的數據的話，那么就得重新調節長木板的傾角或者改變鉤碼的質量，這在實際操作上都有一定的難度。但這個方案和方案3 一樣具有較強的探究性，若是采用這個方案，同樣能達到教材安排這個探究實驗的目的。

通過這個實驗幾種方案的對比分析，不僅讓學生主動參與知識的探究過程，使學生學習的主體作用和學習潛能得到很好的發揮，也充分體現了新課程的科學探究理念。

(欄目編輯趙保鋼)