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利用橡皮筋探究變力做功的實驗改進

2016-12-19 22:07:28陳杏子徐金玲潘仕恒
物理教學探討 2016年11期
關鍵詞:改進實驗

陳杏子 徐金玲 潘仕恒

摘 要:在“探究功與速度變化的關系”的實驗中,教材給出了恒力做功和變力做功兩個實驗案例。前一案例的測量(力、位移、速度)穩定,測量方便,容易達到實驗目的;而后一案例的變力較難控制,實驗不易成功。如果設計恰當,只需使用常見的辦公用橡皮圈,就能收獲很好的實驗效果。

關鍵詞:橡皮筋;變力做功;實驗;改進

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2016)11-0061-3

人教版的高中物理必修二第七章《機械能守恒定律》,安排了“探究功與速度變化的關系”實驗。

為使實驗具有普適性,教材分別設計了恒力做功和變力做功兩個參考案例。恒力做功的實驗裝置與驗證牛頓第二定律的裝置相同,需測量的物理量確定,實驗較容易實施,故不作為本文的研究對象。在變力做功的實驗中,由于存在很多不確定的因素,看似簡單的實驗,筆者進行了一個多星期的準備,屢屢失敗最終艱難成功。下面與讀者分享這一歷程。

1 教材中的實驗設計

如圖1,用橡皮筋拉靜止的小車,小車運動獲得速度。小車的速度用打點計時器測量,而橡皮筋拉力(彈力)是變力,無法直接測量并計算拉力做的功。為此,對彈力做功做特別處理,在實驗操作中分別用1根、2根、3根......相同的橡皮筋并聯拉小車,保證小車每次從同樣的位置被彈出,即每根橡皮筋每次的伸長量相同,彈力相同,相應做的功也相同。橡皮筋對小車做的功分別是1W、2W、3W......。測出對應小車被彈出后的速度,做出W-v、W-v2等圖像,找出功與小車速度的關系。

本實驗設計巧妙地避開了變力做功的計算,使物體從靜止開始運動,減少測量的物理量,實驗裝置簡單,所用器材普通,每個學生均可參與實驗。

2 實驗存在的問題與改進思路

然而,上述實驗在實際操作中卻遇到很多問題,主要有:①小車運動、打點過程受到的摩擦力較大,平衡摩擦力的實際操作比較困難。②打點計時器測量速度時需要進行大量的長度測量和計算,難以在一節課的時間內完成。③當小車被3根以上橡皮筋拉動時,小車在較大的彈力作用下迅速被彈出,而橡皮筋的長度不大,小車做直線運動的行程較短(約10 cm),紙帶能打出的點數少,未能完全反映小車由加速到勻速的運動過程,無法正確測出橡皮筋做功后小車獲得的末速度。④由于橡皮筋的彈力變化不規則,小車的運動容易偏離直線,當增加橡皮筋的條數時,這種情況更加明顯。

針對上述問題,筆者對實驗做了如下改進:①用水平氣墊導軌來代替長木板,從而保證小車沿直線運動,并且極大地減少摩擦力對本實驗的影響,省去了平衡摩擦力這一環節;②用光電門采集數據以計算速度,減少人工測量的次數和數據處理量;③用EXCEL進行相關速度的計算以及繪制相關圖表,即把速度的計算等公式和其他已知量編在相應的單元格中,實驗中只需記錄填入擋光片通過光電門的時間,運算與描圖自動完成。④增加滑塊從加速到勻速的運動行程,確保測量的末速度是滑塊穩定勻速行駛時的速度。⑤尋找彈力變化更規則的橡皮筋,減小伸長量對彈力的影響帶來的系統誤差。

3 實驗探索過程

嘗試一:用橡皮圈直接拉滑塊做功

主要器材和裝置如圖2,橡皮筋用辦公用的橡皮圈(通常用來軋鈔票或票據,直徑約為40 mm,橫截面1.4 mm)。開始時先用1個橡皮圈來拉滑塊,然后每次增加一根(并聯)橡皮圈,并保證每次都拉伸到相同的位置釋放,采集的數據如表1。

從表1可以看出,當增加到4個橡皮圈拉小車時,小車通過光電門的時間基本沒有變化,這與“做功越多小車獲得的速度越大”不相符。是否是偶然誤差呢,筆者重復了幾次實驗,結果都相差不大,即都是第4個時數據出現異常。并聯的橡皮圈增多后,兩端因交疊在一起,導致橡皮圈的長度不相同從而引起系統誤差。為此,做如下改進。

嘗試二:用細線連接橡皮圈后拉滑塊

實驗裝置如圖3,在橡皮圈前后均拴上細線,避免兩端的交疊,使在每次實驗中每個橡皮圈的伸長量相等。加上細線,可使滑塊的受力匯于一線,也使滑塊的運動行程變大,紙帶打出的點數變多。實驗數據如表2。

改進后的結果與前一次相差無幾,仍然是第四組起出現問題。筆者仔細觀察了實驗用的橡皮筋,發現這些辦公用的橡皮圈制作工藝粗糙,粗細不一,長度的一致性差,致使其勁度系數不同,彈性限度可能也不一樣。當用多根橡皮圈并聯拉伸滑塊時,有些橡皮圈還是處于松弛狀態,并沒有產生彈力作用。可見,橡皮筋是影響實驗效果的關鍵因素。

嘗試三:換用質量好的橡皮筋

筆者嘗試用質量更好的橡皮筋代替上述橡皮圈,于是找來女孩扎頭發用的橡皮筋(發圈)來代替。這種發圈的內部由多根細的橡皮筋組成,把橡皮筋抽出來,實驗時每次增加一條,相關數據如表3:

結果發現,實驗結果有較大改善,當并聯到五根橡皮筋時才出現數據異常。這次所用橡皮筋的長度比橡皮圈長,粗細均勻,柔軟性好,勁度系數較小,即使伸長量較大,彈力也不是太大。這種橡皮筋的外層包裹有紗線,當伸長量較大時,這層紗線對彈力產生阻滯作用,故其對實驗會有一定的影響。

嘗試四:調整思路,實驗結果柳暗花明

從前面幾次實驗可看出,換用質量更好的橡皮筋是解決問題的關鍵,但那樣會使實驗過度依賴器材而不具普適性。為此,筆者結合之前的經驗和教訓,做如下改進:隨機取四個橡皮圈串聯成一個橡皮圈條代替以前的一條橡皮筋,在實驗前先反復幾次拉伸串聯好的橡皮圈,然后再把橡皮圈分別套在導軌和滑塊兩端,實驗裝置如圖4。實驗數據如表4。

這會不會是偶然的結果呢?筆者重新進行了兩次實驗,結果幾乎沒有變化。可見,串聯使用橡皮圈在一定程度上改善了橡皮筋的性能。筆者還嘗試了3個和5個橡皮圈串聯的實驗,并與四個橡皮圈串聯進行比較,做出的W-v圖像如圖7,圖像反映的趨勢幾乎相同。

單個橡皮圈之間存在粗細、長短、材料等原因造成的差異,但隨機的多個橡皮圈串聯后可在一定程度上相互補償抵消這些差異。另外,橡皮圈串聯后的長度比單獨一個橡皮圈的長度增加了數倍,一方面有效地改善了橡皮筋的勁度系數,特別是勁度系數變小后,可使實驗中橡皮筋有較大的伸長量,從而減小伸長量的微小差異而對彈力有較大的影響,另一方面,橡皮條變長后,滑塊的運動行程加大,確保小車是在勻速階段時測量的速度。

4 實驗總結

“探究功與速度變化的關系”實驗包含了完整的現代物理實驗過程。

前三個實驗均沒有得出預期的實驗結果,主要原因發生在對橡皮筋的選擇上。首先,橡皮筋的長度(原長)不能太短,10~15 cm為宜。如果太短,實驗過程中的微小變化都可能帶來較大的誤差。其次,要保證每條橡皮筋的物理性質幾乎相同。當隨機地取幾個橡皮圈串聯成橡皮圈條代替橡皮筋時,能較好地解決上述兩個問題,這是實驗得以順利完成的主要因素。

如果條件許可,建議采用氣墊導軌和光電門的實驗裝置。導軌要借助用水平儀調水平,光電門與滑塊初位置的距離不能太近,要保證在橡皮筋恢復原長后,在勻速階段測量滑塊的速度。應用EXCEL處理數據是實驗中另一不可或缺的手段,高中階段的學生應該掌握這一研究方法。

參考文獻:

[1]施美玲,候恕. 高中物理教學中應用物理圖景理論探討[J]. 物理教學探討,2015,33(7):28—33.(欄目編輯 王柏廬)

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