對(duì)高中物理動(dòng)能定理的實(shí)驗(yàn)過程分析及改進(jìn)思考

羅濤

摘要：就目前動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn)的發(fā)展近況來看，動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn)過程中仍然存在較大的誤差，根據(jù)現(xiàn)代數(shù)字化系統(tǒng)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(tǒng)的動(dòng)能定理試驗(yàn)在一定程度上效率雖然有所提高，但是所造成的誤差也會(huì)大大提高，本篇文章根據(jù)動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn)過程的具體細(xì)節(jié)，對(duì)該實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行了整體的優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：回形針質(zhì)量；平衡摩擦；摩擦力做功；動(dòng)能定理

G633.7

一、動(dòng)能定理

動(dòng)能定理簡(jiǎn)單來說就是反映一個(gè)物體在運(yùn)動(dòng)過程中的受力情況，物體在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)受到各種各樣的力，這些力綜合起來會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體作出一個(gè)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(dòng)能定理的基本原理。在傳統(tǒng)的動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn)過程中，大多數(shù)是采用小車運(yùn)動(dòng)從而發(fā)力帶動(dòng)著紙帶進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，在整個(gè)過程中會(huì)出現(xiàn)許許多多的數(shù)據(jù)。物理動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn)過程中，存在誤差較大的就是平衡摩擦中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)，所以，我們需要對(duì)動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行優(yōu)化，我們便可以將平衡摩擦中出現(xiàn)的誤差降低到最小。過于理想化的實(shí)驗(yàn)也會(huì)導(dǎo)致忽略許多誤差的存在，在一定程度上也大大降低了實(shí)驗(yàn)的難度，會(huì)誤導(dǎo)學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)。

二、分析實(shí)驗(yàn)原理

1.實(shí)驗(yàn)原理

已知?jiǎng)幽芏ɡ恚汉贤饬λ龅墓Φ扔趧?dòng)能的變化量，即W合=Ek2-Ek1

首先，我們要來了解一下動(dòng)能定理的實(shí)驗(yàn)原理，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中所涉及到的每一個(gè)器材都要進(jìn)行仔細(xì)的檢查，首先要將回形針與滑輪進(jìn)行牢固的連接。在動(dòng)能定理的實(shí)驗(yàn)過程中，小車的運(yùn)動(dòng)完全依靠著回形針的拉力，當(dāng)實(shí)驗(yàn)過程中所運(yùn)用的回形針質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量時(shí)，小車在實(shí)驗(yàn)時(shí)所做的運(yùn)動(dòng)是勻速運(yùn)動(dòng)，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(shí)間t1和t2測(cè)出擋光片的寬度d通過計(jì)算可得到經(jīng)過兩光電門的速度v1和v2進(jìn)而得到小車經(jīng)過兩光電門的動(dòng)能變化。如圖所示就是動(dòng)能定理的大致過程：

2.選擇合適質(zhì)量的回形針，提高實(shí)驗(yàn)精度

設(shè)小車的值為M，回形針的質(zhì)量為m，細(xì)線對(duì)回形針的拉力為T，對(duì)小車和回形針作受力分析可得

由此可知，只有當(dāng)M遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于m時(shí)，才可認(rèn)為回形針的重力等于細(xì)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(zhì)量決定著整個(gè)實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量，筆者選取122.9g的小車和不同質(zhì)量的回形針進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到如表1所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：回形針的質(zhì)量越小，實(shí)驗(yàn)誤差越小，回形針的質(zhì)量從17.0g到5.2g實(shí)驗(yàn)誤差減小了1.3%。

三、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)措施

1.精準(zhǔn)平衡摩擦

物理動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn)過程中，存在誤差較大的就是平衡摩擦中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)，所以改進(jìn)實(shí)驗(yàn)過程的第一步就是要精準(zhǔn)平衡摩擦，首先對(duì)于力學(xué)軌道的選擇要認(rèn)真仔細(xì)，斷然不可以選擇氣墊導(dǎo)軌來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。氣墊導(dǎo)軌做出來的實(shí)驗(yàn)有時(shí)候會(huì)過于理想化，過于理想化的實(shí)驗(yàn)就會(huì)導(dǎo)致忽略許多誤差的存在，在一定程度上也大大降低了實(shí)驗(yàn)的難度，會(huì)誤導(dǎo)學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)效率降低。如果選擇了普通的力學(xué)軌道，在實(shí)驗(yàn)的過程中回形針的重力就會(huì)被理解成是小車受到的合外力，這樣就可以精準(zhǔn)的對(duì)小車進(jìn)行平衡摩擦。

2.改進(jìn)平衡摩擦方式

之前對(duì)于實(shí)驗(yàn)過程中摩擦的平衡過于簡(jiǎn)單和粗糙，所以在以后的實(shí)驗(yàn)過程中需要改進(jìn)平衡摩擦的方式，原先在實(shí)驗(yàn)的過程中運(yùn)用的是墊高軌道的方式來進(jìn)行摩擦力的平衡，這樣的方式對(duì)摩擦力的平衡效果不是很好，造成的實(shí)驗(yàn)誤差也相對(duì)較大。究其原因是因?yàn)橛糜趬|付軌道的物體具有一定的厚度，對(duì)于所墊物體的具體數(shù)量也不好掌握，多墊就會(huì)導(dǎo)致平衡摩擦過度，少墊則會(huì)影響平衡摩擦的效果，這兩點(diǎn)都會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)存在較大的誤差。為了改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，我們需要額外再提供一個(gè)拉力以便降低實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)即可，這樣就可以在一定程度上降低實(shí)驗(yàn)過程中的誤差。

三、精準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

在物理動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn)處理過程中，即便是將實(shí)驗(yàn)過程優(yōu)化到最高點(diǎn)，也會(huì)出現(xiàn)大大小小的誤差，實(shí)驗(yàn)過程中所出現(xiàn)的摩擦并不能被完全的平衡。實(shí)驗(yàn)來源于實(shí)踐，在實(shí)際生活的過程中摩擦力做功處處可見，同時(shí)也是必不可少的一種力做功現(xiàn)象。在對(duì)動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)的同時(shí)，我們還需要對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)的計(jì)算，我們需要對(duì)摩擦力做功進(jìn)行仔細(xì)的數(shù)值計(jì)算，然后將該數(shù)值計(jì)入到合外力所做的總功。

四、結(jié)語

綜上所述，利用數(shù)字化系統(tǒng)可以減少動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn)過程中的誤差，通過不斷對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行優(yōu)化和改良，提高實(shí)驗(yàn)對(duì)于教學(xué)的現(xiàn)實(shí)意義，數(shù)字化信息系統(tǒng)可以精準(zhǔn)的對(duì)試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與歸類。傳統(tǒng)的動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn)通過人工實(shí)際操作進(jìn)行計(jì)算來得出結(jié)論，在一定程度上來說存在的誤差較大，并且耗費(fèi)大量的人力物力，降低了實(shí)驗(yàn)整體的效率。以上是本人的粗淺之見，文中如有不當(dāng)之處，還望同學(xué)們和教師批評(píng)指正。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳志山.用DIS探究變力做功時(shí)的動(dòng)能定理[J].物理教師，2010

[2]紀(jì)希弟.減少“探究動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn)”的系統(tǒng)誤差[J].物理教學(xué)，2011

[3]倪妮，劉磊.動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn)過程的改進(jìn)思考[J].物理教學(xué)探究，2013

[4]馬利民，倪敏，韓偉偉.驗(yàn)證恒力做功的動(dòng)能定理及其改進(jìn)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2014