“探究功与速度变化的关系”实验的再改进*

梅宇航

(江苏省镇江第一中学 江苏 镇江 212013)

1 相关背景分析

“实验：探究功与速度变化的关系”力图通过“功”这一桥梁把速度与动能联系起来，为下一节研究动能与动能定理提供铺垫，人民教育出版社出版的2010年4月第3版高一《物理·必修2》教材中给出两个参考案例：

参考案例一如图1所示，由重物提供牵引力，通过改变重物质量或小车运动的距离，改变牵引力做功；参考案例二如图2所示，由橡皮筋提供牵引力，通过改变橡皮筋的条数，用倍增的原理，研究牵引力对小车做的功与小车速度变化的关系.

图1 由重物提供牵引力

图2 由橡皮筋提供牵引力

但在实际教学中，笔者发现有以下几点不足：

(1)两个参考案例均需要先平衡摩擦力，而多次调试木板倾角费时费力，直接影响到学生探究的积极性.

(2)为求得速度，两个参考案例均用到了高中物理中司空见惯的打点计时器，但是本实验至少要5～6条纸带，显然数据处理繁琐耗时，特别是参考案例二，要找出匀速阶段的点迹，再计算速度，误差较大.

(3)案例二中橡皮筋规格难以统一，实际操作发现当橡皮筋的条数增加到5条时，由于劲度系数大大增加，小车加速度很大，容易“脱轨”，摔在地上，使实验失败.

(4)为避免案例二中小车碰到固定橡皮筋的钉子，增加橡皮筋的稳定性，从便于操作考虑，在江苏人民出版社出版的《高中物理实验报告册》必修二全国版中，实验改进为将橡皮筋用两个钉子固定，如图3所示，但依然存在上述(1)～(3)的缺点.

图3 案例二改进

(5)在2014—2018年期间，不少研究者分别在《物理教师》《实验教学与仪器》《物理通报》《物理教学探讨》等杂志中对这一实验进行改进[1～5]，改进的实验可以概括为自由落体法、重物牵引法、橡皮筋弹射法、弹弓弹射法.实验中为了减少阻力，大都使用气垫导轨；为避免复杂运算，也都借助于光电门传感器.这些改进使得小车所受阻力大大减少，实验结果更加精确.但同时对学生动手能力提出更高要求，而且受条件限制，大部分中学的物理实验室难以大规模配备气垫导轨和光电门，显然上述改进实验不利于大面积推广，正是由于以上种种原因，对该实验的改进需要另辟蹊径.

2 实验改进方案

基于上述实验存在的不足，笔者对实验装置进行改进，得到一个较佳的解决方案.

2.1 实验器材

制作说明：实验主材为透明亚克力板材，其特点是容易切割，不易变形，实验可以选取5 mm厚度板材，按照图4尺寸进行切割，其中⑤为直径1.4 cm的亚克力管子，中间两侧对称开槽，以便于控制管内弹簧长度，接着按照图5装置用专用胶水进行粘连组装，图6为实物图，为便于检查钢球落点位置，在底座铺上复写纸.

图4 亚克力板材切割尺寸图

图5 实验装置示意图

图6 实验装置实物图

2.2 实验操作说明与创新之处

2.2.1 主要操作说明

(1)将实验装置放置在桌上，用水平仪确保桌面处于水平.

(2)将弹簧放置在管内，与管内底部接触，记下此时弹簧长度l0.

(3)将钢球放入管内，由两侧控制钢球，压缩弹簧，记下此时弹簧长度l.

(4)快速释放钢球，测量钢球落点到管口的水平位移s.

(5)重复实验，得到多组实验数据.

2.2.2 实验创新之处

(1)将橡皮筋换成弹簧，相比橡皮筋，弹簧劲度系数稳定且大小合适，实验精确度较高.

(2)钢球替代小车，缩短弹簧作用距离，阻力大大减少，这样避免了平衡摩擦力，省时.

(3)亚克力透明管子两侧对称开槽，方便控制弹簧的压缩量.

(4)利用平抛运动求速度，直观形象，简单易懂，不用处理纸带，省力.

3 实验数据处理与再改进

每一次弹簧的形变量由Δx=l-l0计算得出，对应的8组实验数据如表1所示，以形变量为横坐标，水平位移s为纵坐标，利用Excel作图得到图7，可以清楚地看到两者成正比，即Δx∝s.

表1 实验数据

图7 平抛水平位移与弹簧压缩量的关系

要最终得到功与速度变化的关系，还需要借助功能关系，利用前一节所学的弹簧弹性势能表达式间接得到弹簧做功的多少.即

(1)

有了平抛运动的基础，学生知道在高度一定的情况下，水平位移与初速度成正比，即

(2)

最后由式(1)、(2)，结合实验结论，可以推导如下

(3)

即功与速度变化的平方成正比，如果将复写纸换成双面胶，平抛运动的小钢球会依次粘在双面胶上，如图8所示，从图8可以看出小球排列大致均匀，实验结果形象直观，提高了学生探究的乐趣，更加有利于学生对基本知识的理解和掌握.

图8 钢球依次排列

4 总结与反思

本节在“探究弹性势能的表达式”之后，利用本实验装置进行探究，从逻辑层面，更有利于知识的连续，而且通过弹簧弹力这种变力做功的形式进行实验探究，会使得结论更具有一般性.

当然，实验不是唯一的探究方式也不一定是最佳的探究方式，如果教学中先安排理论探究恒力做功与速度变化的关系再进行实验探究，理论探究与实验探究并重且结论相互支撑，会使学生更深层次地体验科学探究的过程与方法，更有利于物理核心素养的培养.