對高中物理動能定理的實驗過程分析及改進思考

羅濤

摘要：就目前動能定理實驗的發展近況來看，動能定理實驗過程中仍然存在較大的誤差，根據現代數字化系統處理可以在一定程度上減小誤差，將誤差控制在3%以下。傳統的動能定理試驗在一定程度上效率雖然有所提高，但是所造成的誤差也會大大提高，本篇文章根據動能定理實驗過程的具體細節，對該實驗過程進行了整體的優化。

關鍵詞：回形針質量；平衡摩擦；摩擦力做功；動能定理

G633.7

一、動能定理

動能定理簡單來說就是反映一個物體在運動過程中的受力情況，物體在運動過程中會受到各種各樣的力，這些力綜合起來會對運動的物體作出一個總功。物體所受的合外力可以大致分為兩種，一種是恒力，另一種是變力，恒力做功是動能定理的基本原理。在傳統的動能定理實驗過程中，大多數是采用小車運動從而發力帶動著紙帶進行運動，在整個過程中會出現許許多多的數據。物理動能定理實驗過程中，存在誤差較大的就是平衡摩擦中出現的數據，所以，我們需要對動能定理實驗過程進行優化，我們便可以將平衡摩擦中出現的誤差降低到最小。過于理想化的實驗也會導致忽略許多誤差的存在，在一定程度上也大大降低了實驗的難度，會誤導學生在今后的學習。

二、分析實驗原理

1.實驗原理

已知動能定理：合外力所做的功等于動能的變化量，即W合=Ek2-Ek1

首先，我們要來了解一下動能定理的實驗原理，對實驗過程中所涉及到的每一個器材都要進行仔細的檢查，首先要將回形針與滑輪進行牢固的連接。在動能定理的實驗過程中，小車的運動完全依靠著回形針的拉力，當實驗過程中所運用的回形針質量遠遠小于小車的質量時，小車在實驗時所做的運動是勻速運動，也就是說小車所受的力是恒力。記錄下小車通過兩光電門的時間t1和t2測出擋光片的寬度d通過計算可得到經過兩光電門的速度v1和v2進而得到小車經過兩光電門的動能變化。如圖所示就是動能定理的大致過程：

2.選擇合適質量的回形針，提高實驗精度

設小車的值為M，回形針的質量為m，細線對回形針的拉力為T，對小車和回形針作受力分析可得

由此可知，只有當M遠遠大于m時，才可認為回形針的重力等于細線的拉力，小車所受的合外力才可以用回形針的重力來代替。由此可以看出回形針的質量決定著整個實驗的質量，筆者選取122.9g的小車和不同質量的回形針進行實驗，得到如表1所示的實驗結果：回形針的質量越小，實驗誤差越小，回形針的質量從17.0g到5.2g實驗誤差減小了1.3%。

三、實驗改進措施

1.精準平衡摩擦

物理動能定理實驗過程中，存在誤差較大的就是平衡摩擦中出現的數據，所以改進實驗過程的第一步就是要精準平衡摩擦，首先對于力學軌道的選擇要認真仔細，斷然不可以選擇氣墊導軌來進行實驗。氣墊導軌做出來的實驗有時候會過于理想化，過于理想化的實驗就會導致忽略許多誤差的存在，在一定程度上也大大降低了實驗的難度，會誤導學生在今后的學習效率降低。如果選擇了普通的力學軌道，在實驗的過程中回形針的重力就會被理解成是小車受到的合外力，這樣就可以精準的對小車進行平衡摩擦。

2.改進平衡摩擦方式

之前對于實驗過程中摩擦的平衡過于簡單和粗糙，所以在以后的實驗過程中需要改進平衡摩擦的方式，原先在實驗的過程中運用的是墊高軌道的方式來進行摩擦力的平衡，這樣的方式對摩擦力的平衡效果不是很好，造成的實驗誤差也相對較大。究其原因是因為用于墊付軌道的物體具有一定的厚度，對于所墊物體的具體數量也不好掌握，多墊就會導致平衡摩擦過度，少墊則會影響平衡摩擦的效果，這兩點都會導致數據存在較大的誤差。為了改進實驗，我們需要額外再提供一個拉力以便降低實驗的誤差，并且也不需要額外墊高軌道，只需要讓小車在軌道上做勻速運動即可，這樣就可以在一定程度上降低實驗過程中的誤差。

三、精準進行數據處理

在物理動能定理實驗處理過程中，即便是將實驗過程優化到最高點，也會出現大大小小的誤差，實驗過程中所出現的摩擦并不能被完全的平衡。實驗來源于實踐，在實際生活的過程中摩擦力做功處處可見，同時也是必不可少的一種力做功現象。在對動能定理實驗過程進行優化改進的同時，我們還需要對實驗過程中出現的數據進行精準的計算，我們需要對摩擦力做功進行仔細的數值計算，然后將該數值計入到合外力所做的總功。

四、結語

綜上所述，利用數字化系統可以減少動能定理實驗過程中的誤差，通過不斷對實驗過程進行優化和改良，提高實驗對于教學的現實意義，數字化信息系統可以精準的對試驗中的數據進行計算與歸類。傳統的動能定理實驗通過人工實際操作進行計算來得出結論，在一定程度上來說存在的誤差較大，并且耗費大量的人力物力，降低了實驗整體的效率。以上是本人的粗淺之見，文中如有不當之處，還望同學們和教師批評指正。

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