用DISlab探究“做功與速度變化的關系”

張志鋒

(商南縣高級中學 陜西 商洛 726300)

1 教材中兩種實驗方案分析

人教版高中《物理·必修2》第七章第6節是一節探究實驗——探究“做功與速度變化的關系”實驗.該實驗目的是讓學生探究力對物體做功與物體速度變化的關系，體會實驗探究過程和所用的方法，同時為動能定理的學習做鋪墊.

在教材中提供了兩種實驗參考方案如圖1所示.

方案1:如圖1(a)所示，由重物通過滑輪牽引小車，當小車的質量比重物大很多時，可以把重物所受重力當做小車的牽引力，小車運動的距離可由紙帶測出.改變重物的質量或改變小車運動的距離，也就改變了小車做的功.

方案2:如圖1(b)所示，使小車在橡皮筋的作用下彈出.

(a)

(b)

第二次、第三次……操作時分別改用2根、3根……同樣的橡皮筋，并使小車從同樣的位置彈出；那么橡皮筋對小車做的功一定是第一次的2倍、3倍……測出小車被彈出后的速度，能夠找到牽引力對小車做的功與速度的關系.

用這兩個方案進行實驗時，有以下幾個方面的不足：

(1)無論是方案1還是方案2，確定合外力做功時，均需平衡摩擦力，在實際實驗時難以做到，致使誤差較大.

(2)小車在重物或橡皮筋作用力牽引下，容易改變運動方向，致使打出的紙帶不理想.

(3)實驗打下的紙帶條數較多，連接和取下小車后面的紙帶不方便.

個別計價法計算的銷售成本，能以實際采購成本為基礎，期末資產價值具有真實性。這種方法適用于一般不能替代使用的存貨、為特定項目專門購入或制造的存貨等，如珠寶、名畫等價值高，數量少的貴重物品。但是，個別計價法在實際操作中，手續繁瑣，一個一個地單獨計價，耗費的時間成本及人力成本均較高，對存貨品種多，數量多的企業來說不太實用，同時就業務本身來說，畢竟像珠寶等貴重物品存貨的企業不多，因而不具有普遍性。

為此，筆者通過DISlab系統，結合WPS工作表來處理實驗數據并描繪相關圖像，得出較為準確的數據和理想的W-v2線性圖像，具有較高的可信度和一定的實驗價值.

2 DISlab“探究做功與速度變化的關系”實驗

2.1 實驗器材

DISlab實驗力學軌道、小車，2個L型支架，一個I型支架，光電門1個，2 cm遮光片1個，數據采集器、數據線、計算機，DISlab實驗軟件和WPS工作表軟件，橡皮筋.

實驗中DISlab實驗用小車與力學軌道間摩擦很小，實驗中軌道水平即可，小車4輪恰好控制在軌道上兩道凹槽中，不易滑離軌道；實驗前把5個橡皮筋套成一根，共8根；把其中一個L型支架用螺絲固定在軌道的一端，用作橡皮筋作用端；在小車前端自制一掛鉤，用螺絲固定在小車上；遮光片固定在小車上.

2.2 實驗裝置圖

實驗裝置結構圖與實驗裝置實拍圖如圖2、圖3所示.

①DISlab力學軌道;②小車;③掛鉤;④遮光片;⑤橡皮筋;⑥支架(固定于軌道前端);⑦光電門;⑧傳輸線;⑨數據采集器;⑩數據線

圖2 裝置結構圖

圖3 裝置實拍圖

2.3 實驗原理

倍增法探求功，使用1根、2根、3根……橡皮筋，使彈力對小車做功成倍增加；用光電門測出小車對應的最大速度v1,v2,v3，……，分析功W與v的關系.

2.4 實驗操作步驟

(1)按圖2所示安裝實驗器材，將實驗用力學軌道平放在水平桌面上.光電門用傳輸線連接至數據采集器，數據采集器用數據線連接至計算機，計算機打開DISlab實驗“專用軟件”中“測瞬時速度”界面，軟件系統自動檢測到光電門傳感器.

(2)將2 cm寬的遮光片固定在小車上，將一條橡皮筋一端套在軌道前端的支架上，另一端掛在小車前端的掛鉤上，橡皮筋與軌道平行，然后將小車拉到適當位置，點擊計算機界面上“開始”按鈕(將界面上遮光片寬度統一輸入為0.020)，然后由靜止釋放小車，使小車在橡皮筋的彈力下被彈出，這樣測出了小車的速度.

(3)第二次、第三次……操作時分別改用2根、3根……同樣的橡皮筋，并使小車從同樣的位置彈出；那么橡皮筋對小車做的功即為第一次的2倍、3倍……測出小車被彈出后的速度v1,v2,v3，……

(4)將記錄的瞬時速度分別輸入WPS工作表第一列，進行數據處理.

2.5 實驗數據處理

圖4 某次8組實驗數據

圖5 實驗數據處理表格截圖

圖6 做功與速度改變關系圖像

2.6 實驗結論

3 實驗優點

(1)實驗設計科學合理，實驗原理簡單，操作便捷，直觀明確.

(2)實驗數據采集迅速簡單，采集數據點多，直接通過計算機處理，呈現速度大小，數據較為準確，避免了復雜的數據運算.

(3)利用WPS工作表進行數據處理、描繪系列圖像，提高了效率和準確度，還體現了現代信息技術帶來的便捷性.

(4)通過描繪“做功與速度改變”的多種圖像，最終得出結論，體現了科學探究的學科素養和科學態度.

該實驗是數字化實驗與傳統實驗整合的一個案例，利用DISlab系統和光電門來測速度，直觀性強，趣味性濃，體現了現代信息化技術給物理實驗教學帶來的便捷和高效.