探究做功與速度變化的關系的創新實驗設計

冉龍兵

（貴州省遵義市湄潭縣湄江高級中學，貴州 遵義）

在人教版高中物理必修二中，“探究做功與速度變化的關系”是非常具有代表性的探究課，其中蘊含的科學探究思想，可以加深學生對科學探究的認識和了解，提高學生的科學素養。然而，教材中給出的實驗方案存在諸多不足，如果不加以改進，很難得出理想的實驗數據，也就無法得出想要的實驗結論，教學效果將大打折扣。此外，有的老師覺得該實驗操作比較困難，就干脆用講解來代替實驗，從而使學生喪失一次寶貴的體驗探究過程的機會。因此，教師可以根據教材中給出的思路和方案，結合教學實際，創造性地使用教材和實驗儀器，提出切實可行的實驗方案。下面通過對教材中實驗方案的分析，對存在的不足進行了改進、嘗試，創造性地探究了做功與速度變化的關系。

一、實驗目的

1.體驗物理知識的探究過程和物理規律的研究方法。

2.學會利用圖像來處理功與速度變化的關系。

二、實驗器材

軌道、小車、細線、打火機、數字計時器、擋光片、游標卡尺、木塊、計算機（用于處理數據）。

三、實驗原理

探究做功與速度變化的關系，需要測兩個物理量：一個是合力做的功，小車沿斜面的合力F恒定，改變s就可以得到小車在不同位置釋放時所做的功；另一個是合力做功所對應的速度，用擋光片的寬度d除以計時器所記錄的時間就可以得到小車的速度，用此速度來代替小車通過光電門的瞬時速度，即v=d/t。

四、實驗過程

1.用游標卡尺測量擋光片的寬度d，測3次取其平均值。

2.將光電門固定在軌道距滑輪端不遠處，并與數字計時器連接好，用細線連接小車末端和軌道的另一端，保持細線與軌道面平行，用木塊把這端墊高一些。

3.接通電源，讓小車距離光電門s處（s=18cm，可以根據軌道的長度選擇合適的長度），用打火機燒斷細線以確保小車靜止釋放，記錄擋光時間t。

4.改變s，每次使s增加18cm，重復步驟2，記錄所對應的擋光時間t。

五、實驗數據處理

1_.將實驗數據輸入Excel中，并求出速度v，如下圖所示：

注：圖中 E欄是用 1、2、3、4、5分別代表的 1W、2W、3W、4W、5W。

2.、選中 D、E 兩列，點擊“插入”“圖表”“xy 散點圖”，得到如下圖所示的散點圖。從圖中可以看出，點的分布不成線性關系，用“趨勢線（多項式）”進行擬合，如下圖所示，可以看出w-v的關系圖像為一條曲線。

6__________5__________________________________________________________________________________________________________________________________4321 0 w-v離散點圖_______00.1--0.2--0.3--0.4--0.5--0.6 6_____________5__________________________________________________________________________________________________________________________________00.1--0.2--0.3--0.4--0.5--0__________________________4 3 2 1 0 w-v圖象_________.6-1__

3.在Excel中，通過計算機算出速度的平方值，如下圖中的F_列。

A B C F n d t D v 0 E 0.2804 0.3593 0.4380 0.4977 0.5408 v*v 0 0.0786 0.1291 0.1919 0.2477 0.2955 w 0 0.0106 0 0 1 0.0106 0.0378 1 2 0.0106 0.0295 2 3 0.0106 0.0242 3 4 0.0106 0.0213 4 5 0.0106 0.0196 5

4.選中兩 E、F 列，點擊“插入”“圖表”“xy 散點圖”，得到如下圖所示的散點圖。從圖中可以看出，點大致分布在過原點的一條直線上，用“趨勢線（線性關系）”進行擬合，如下圖所示，可以看出w-v2的關系圖像為一條過原點的直線，這說明合力做功和速度的平方成正比。

6___________5_______________________________________________________________________________________________________________________________________4 3 2 1 0 w-v離散點圖________6______________5__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________0- 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.30.3 4 3 2 1 0 w-v2圖象_________-1_5 0--0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

六、實驗結論

通過實驗探究得出做功和速度的平方成正比，為動能定理提供了有力的實驗依據。

七、實驗誤差分析

1.釋放小車時，不是在 s、2s、3s、4s、5s所對應的位置靜止釋放。

2.軌道不同，地方的動摩擦因數不同。

［1］臧國東.“探究做功與速度變化的關系”的創新實驗設計［J］.實驗教學與儀器，2015（9）.

［2］楊青華，楊建會.用DISLab探究力做功與速度變化關系的創新實驗［J］.物理教學探討，2016（12）.