“探究功与速度变化关系”参考实验方案.doc

“探究功与速度变化的关系”参考实验方案 人教版普通高中课程标准实验教科书《物理》（必修2）“机械能守恒定律”一节中──“探究功与速度变化的关系”实验，是通过橡皮筋的弹力拉动小车做功使小车获得动能，来探究橡皮筋做的功与小车速度的关系。实验中“由于橡皮筋的长度、粗细不一；小车受力为零的位置不一定在设定的点；由于小车不受拉力的位置不一定在设定的点，这就使拉力功W与橡皮筋的条数不成正比，而作图象时纵坐标的单位长度依然将功与橡皮筋的条数按正比关系取值，这样使作出的W、v各对应点的分布与W－v函数图象发生偏离”等的误差来源较多（见高中物理新课标教师教学用书·必修2）。本实验方案是利用钩码通过定滑轮拉动小车做功（重力做功）使小车获得动能，来探究钩码做的功（重力做功）与小车速度的关系。通过这样处理误差来源易于消除，使变力成为了恒力，易于从数量上探究，也是对教材的补充。 　　一、实验设计思路：利用探究小车运动规律的实验装置（图1），实验中用钩码通过定滑轮拉动小车做功（重力做功）使小车获得动能，探究钩码做的功（重力做功）与小车速度的关系。在小车运动的位移相同时，用一个钩码做的功为W，用两个钩码时做的功就是2W，依此类推可以找出功和速度的对应关系。 ? 图1 ? 　　由于钩码（重力）做功，而使小车获得的速度可以由纸带和打点计时器测出，这样通过若干次测量，就得到若干组功和速度的数据。 ? 　　以钩码做的功为纵坐标，小车获得的速度为横坐标，以第一次实验时的功W为单位做出W-v曲线，即功—速度的曲线。分析这条曲线，可以得知钩码通过定滑轮拉动小车做的功（重力做的功）与小车获得的速度定量关系。 ? 　　二、注意事项 ? 　　1．由于小车运动过程中会遇到（滑轮和细绳、小车和木板、打点计时器和纸带之间等）阻力，所以要平衡摩擦力。平衡摩擦力时，要轻推一下小车，观察小车是否做匀速运动。 ? 　　2．小车质量约为200g，当用到多个钩码时，小车运动速度过大，可能使打出的纸带上的点数少，难以选到合适的点计算小车速度。可在小车上加100g～200g砝码。 ? 　　3．要在接通电源时，同时释放小车，以保证小车在选取位移时，获得的速度更为准确。 ? 　　4．在纸带上从第一个点开始测量一段位移（如20cm），计算位移末端的速度时，采用靠近点的原则选取速度。就是说当选取的这段位移（如20cm）的末端靠近哪个点，就用哪个点的瞬时速度作为这段位移的末速度。 ? 　　5．纵坐标功的单位可以用第一次做的功w为单位，也可以用重力做的功mgh（m为钩码的质量，g为重力加速度值，h为钩码下落的距离即所选取的一段位移值）具体的值为单位。 ? 　　三、实验实例（电磁打点计时器） ? 　　说明：小车质量为200克，钩码（用M8的螺母代替钩码）1至5个，每次增加一个，每个约10克。用纸带上15cm处的位移计算瞬时速度。 ? 　　1．功与速度的关系图象 ? v/（m/s） W W/J（10-2）） 0．00 0．0 0．00 0．30 1．0 1．47 0．45 2．0 2．94 0．58 3．0 4．41 0．64 4．0 5．58 0．73 5．0 7．35 0．78 6．0 8．82 ? ? 图2 ? 　　2．功与速度平方的关系图象 ? v/（m/s）-2 W W/J（10-2）） 0．00 0．0 0．00 0．09 1．0 1．47 0．20 2．0 2．94 0．34 3．0 4．41 0．41 4．0 5．58 0．53 5．0 7．35 0．61 6．0 8．82 ? ? ? ? ? 图3 ? 　　由本实验实例可以看出和教参上的实验实例相一致。 ? 　　附：高中物理新课标教师教学用书·必修2给出的设计思路和实验实例 ? 　　实验的设计思路：实验中用橡皮筋的弹力拉动小车做功使小车获得动能，探究橡皮筋做的功与小车速度的关系。橡皮筋的弹力是变力，所做的功是变力功，没有现成的公式可以计算功的大小。即使知道弹力功的公式也不能用它进行计算，因为橡皮筋的劲度系数也是变化的。但是在相同的位移情况下，用一条橡皮筋做的功为W，用两条橡皮筋时做的功就是2W，依此类推可以找出功和速度的对应关系。实验方法巧妙地避开了应用功的公式计算恒力功的大小，设计思路充分体现了探究的精神。 ? 　　实验实例（电火花计时器） ? 　　说明：小车质量为300g，使用的橡皮筋1根至6根，每次增加1根。小车受力的位移即橡皮筋被拉伸的长度为19cm。 ? 功与速度的关系图象 v/ms-1 W 0．00 0．00 0．80 1．00 1．10 2．00 1．28 3．00 1．53 4．00 1．76 5．00 1．89 6．00 ? 图4 ? 功与速度平方的关系图象 v/ms-1 W