“探究功與速度變化關系的實驗”創新設計*

吳長軍

(永昌縣第一高級中學 甘肅 金昌 737200)

1 實驗器材創新

約1 m長貼有標尺的導軌一根(窗簾軌道),導軌支架一個(自制),光電門1個,數字計時器1臺,沙盒1個,12 mm直徑鋼球一枚,螺旋測微器1把.

2 實驗創新點

(1)小球沿軌道下滑過程中使小球每次從靜止開始沿軌道下滑至光電門的位移為第一次下滑位移的整數倍，這樣可以使合力做的功倍增.不需要具體測量功的數值.避免了小車在木板上運動需要平衡摩擦力的操作，減小了系統誤差.

(2)運用光電門測速度，極大地簡化了速度計算的過程，減小了測量距離帶來的偶然誤差，同時也避免了打點計時器與限位孔之間的摩擦導致的系統誤差.

3 實驗原理/實驗設計思路

課本參考案例2對功的測量采用了倍增法，可以避免直接計算功的數值，這樣的處理特別巧妙[1].如何在保持該思路的前提下得到功與速度變化的關系呢？筆者采用了斜槽軌道與光電門的組合.小球沿軌道下滑的位移成倍增加，從而使合力做的功可以成倍增加.第一次下滑位移為x，則合力做的功為W;第二次下滑位移為2x,合力做功為2W;第三次下滑位移為3x,合力做功為3W，以此類推，測出5～6組數據[2]，如表1所示.然后通過Excel圖像研究功與速度變化的關系.

表1 測量數據

4 實驗教學過程及方案設計

(1)實驗裝置圖

實驗裝置實物圖如圖1所示.

圖1 實驗裝置實物圖

(2)分組實驗，合作探究

學生根據自己的設計方案進行實驗，教師巡視學生操作，及時給予指導.

(3)數據處理，驗證猜想

學生實驗進行完畢之后，關閉電源.通過坐標紙作出圖像，如圖2和圖3所示，得到結論.教師通過投影演示運用Excel處理實驗數據，邊演示邊引導學生注意操作步驟.以便課后有條件的學生親自動手操作[3].

圖2 做功W的倍數與v的關系

圖3 做功W的倍數與v2的關系

5 實驗教學效果與評價

改進后的實驗裝置簡單，操作方便.基于課本參考案例2“倍增法”的基礎上采用小球下滑過程中位移倍增，從而避免直接計算功的數值.節省了課堂時間，小車沿斜面下滑需要平衡摩擦力，否則會影響實驗結果，而本實驗設計不用平衡摩擦力，可以將導軌放置成任何角度.光電門測速度避免了利用打點計時器測速度過程中紙帶和限位孔的摩擦阻力造成的系統誤差.通過學生實驗測量，數據精確，圖像顯示誤差極小.實驗器材的改進，不僅大大提高了課堂效率，也拓寬了學生思路.讓學生懂得課本案例只是參考，利用自己的聰明才智可以就地取材，開發一些便宜、易用的教具、學具.

6 結束語

培養物理學科核心素養需要從課堂教學做起，過去單純以掌握知識和習題訓練為主的教學只能訓練邏輯推理能力和計算能力.我國要提高全民科學素質，建設創新型社會，青年學子們必須學會主動觀察生活，善于提出物理問題，設計實驗驗證猜想，在學習中互相交流合作.這些科學素養的獲得必須通過物理學科的學習來完成.而物理是一門實驗學科，物理實驗的學習是物理學科能力的重要組成部分，物理實驗技能是一種綜合能力，是多種基礎能力在實驗過程中的綜合體現，實驗教學是落實物理核心素養的重要途徑.