探究功与速度变化关系的实验方案

1探究功与速度变化关系的实验方案江苏省宿迁中学王伟人教版高中物理新课标·必修2，探究功与物体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。利用变力做功来研究问题，学生一开始不容易接受。可以多设计几个实验方案，让学生在比较中去体会理解实验的设计原理，以及在不同的实验方案中如何减少误差的影响。方案一实验设计思路：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，以此类推可以找出功和速度的对应关系。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，小车获的速度为横坐标做出W-v曲线，以及W-v2曲线，可以分析钩码通过定滑轮拉动小车做的功（可用重力做功表示）与小车获得的速度关系。图1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。这样可以同时满足小车的质量远远大于钩码的质量，拉力对小车做的功可以用重力做功表示。3、要在接通电源时，立即释放小车，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重力做的功mgh（m为一个钩码的质量，g为重力加速度，h为钩码下落的距离即所选取的一段位移）具体的值为单位，也可以用第一次做的功为单位。方案二实验设计思路：利用探究机械能守恒的实验装置（图2），实验中重锤自由落体，重力做功，重锤获得动能，探究重锤重力做功与重锤速度的关系。重锤所受重力不变，下落高度为h时做的功为W，下落高度为2h时做的功就是2W，以此类推可以找出功和速度的对应2关系。由于重锤重力做功，而使重锤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。以重锤做的功为纵坐标，重锤获得的速度为横坐标，做出W-v曲线，以及W-v2曲线，可以分析重锤重力做功与重锤获得的速度的关系。图2注意事项：1、虽然重锤运动过程中会遇到打点计时器和纸带之间或空气等阻力，但是只要重力与阻力的合力是定值,当h加倍时，合力做功也加倍，所以不需要考虑阻力的影响。2、要在接通电源时，立即释放重锤，以保证在选取位移时，获得速度更为准确。3、在纸带上测量位移时每次都从第一个点开始测量，为了研究方便，测量的位移成倍增加，计算每次测量的位移末端的点的速度。4、纵坐标功的单位可以用重锤重力做的功mgh（m为重锤的质量，g为重力加速度，h为钩码下落的距离即所选取的一段位移）具体的值为单位，也可以用第一次做的功为单位。方案三实验设计思路：利用水平传送带运送物体的装置（图3），探究摩擦力做功与物体速度的关系。实验中传送带匀速运动，物体由静止释放，摩擦力对物体做功，当物体的速度与传送带相同时，摩擦力消失，不做功。通过改变传送带匀速的速度，也就是改变物体最后获得的速度，物体在传送带上滑动的位移不同，而摩擦力不变，所以每次摩擦力做功不同。记录每次相对滑动的位移就可以找出功和速度的对应关系。由于物体的速度可以由传送轮的转速获得，可以在物体下面涂粉笔留下相对滑动的痕迹，用来测相对滑动的位移，这样通过若干次测量，就得到若干组功和速度的数据。以摩擦力做的功为纵坐标，物体获得的速度为横坐标，做出W-v曲线，以及W-v2曲线，可以分析摩擦力做功与物体获得的速度的定量关系。图3注意事项：31、在开始实验前要首先让学生分析清楚只有摩擦力做功才使物体获得动能，其次还需从运动学的角度分析清楚粉笔记录下来的位移是相对滑动的位移，但是这个位移的大小刚好与摩擦力做功的位移大小相等。2、每次要静止施放物体，物体最后的速度就是传送带匀速传动的速度。3、纵坐标功的单位可以用摩擦力做功具体的值为单位，也可以用第一次做的功为单位。上面的三种方案都是恒力做功引起物体动能的变化，但是可以发现我们要研究的功与速度变化的关系和做功的具体数值无关，所以可以研究变力做功与速度变化的关系，只要能够记录功的倍数关系就可以。方案四实验设计思路：利用弹簧和平抛的实验装置（图4），实验中利用弹簧的弹力做功使小球获得动能，探究弹簧弹力做功与小球速度的关系。小球离开弹簧后做平抛运动，测量平抛的水平位移可以获得小球平抛的初速度。每次弹簧的压缩量不同，弹力做功也不同，利用上一节的知识可以计算每次弹簧做功的大小。这样可以找出功和速度的对应关系。以弹簧弹力做功为纵坐标，小球获得速度为横坐标，做出W-v曲线，以及W-v2曲线，可以分析弹簧弹力做功与小球获得的速度关系。图4注意事项：1、选择劲度系数较大的弹簧，尽量光滑的小球，这样可以忽略摩擦力的影响。2、保证物体离开弹簧后做平抛运动，利用平抛知识算出小球的初速度，即弹簧做功后的小球速度。3、纵坐标功的单位可以用弹簧弹力做功的具体值为单位，也可以用第一次做的功为单位。方案五实验设计思路：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。这节课是一节典型的科学探究课，通过实验操作，锻炼学生的动手能力，更可以通过设计实验方案的方式，逐步培养学生的科学探究意识。