一种“探究功与速度变化关系”的新型实验装置

一种“探究功与速度变化关系”的新型实验装置摘要：本文针对人教版高中物理教材中的“探究功与速度变化关系”探究实验的不足，改进设计了一种新的实验装置，并做了讨论和验证。关键词：探究功与速度变化关系 平抛运动 演示实验探究功与速度变化的关系是高二物理的一个必做的探究实验，人教版高中物理必修2提供了两种实验方案，两种方案都采用了打点计时器作为工具计算瞬间速度，多根橡皮条做功的“倍增法”来确定功的递增关系，以此来研究功与速度变化的关系。在浙江科学技术出版社为之配套的实验手册中采用的是与人教版参考方案二相似的实验方案，都采用了打点计时器作为计时仪器。一、原有方案存在的问题：原方案的设计思路非常巧妙，但如果作为一个探究性的课常演示实验而言，它存在以下两个缺点：弹射平台主支架水平调节架定位栓V形卡位槽图11、直观性不强：不能让学生一目了然的看到功与速度变化的关系。2、实验过程略显复杂：特别是要用打点计时器结合纸带来计算速度比较繁琐，用时较多，而且精度也不见得有多高。3、小车与轨道，纸带与打点计时器的摩擦阻力较大，误差也较大。为此，笔者在不改变基本实验原理的基础之下，对这个实验进行了创新设计，以期提高该实验的效果，提升直观性和操作性，以便能让学生在课堂上更好的进行探究。二、演示装置1、结构及功用：该实验的整体结构如图1所示，主要有三部分组成：弹射平台、V字形卡位槽、水平调节脚。（1）弹射平台： A、带滑槽的弹射台：滑槽的作用是引导小球弹射方向，使其沿V字形卡位槽方向作平抛运动。为减小摩擦，滑槽须打磨光滑。B、定位栓：用于确定小球所拉到的位置（也即确定每条橡皮筋的伸长量），根据实验需要可以进行调节，以控制每一条橡皮筋做功的多少。C、橡皮筋，在规格一致的情况下还要进行挑选，多条。D、小球多个（2）V字形卡位槽：用于接住弹射平台射出的小球，做成上大下小的V字形的目的，一是小不太容易落到卡位槽外，导致实验失败，二是使小球落到卡位槽上后会卡紧，不会引起弹跳，而引起误差。在V字形卡槽内侧标上尺寸刻度，用于确定小球做平抛运动的水平射程。（3）水平调节脚：主支架应带有可调节脚，可以调节支架的水平，保证小球作平抛运动。三、实验原理当小球通过弹射平台被弹射出去以后，通过橡皮筋作功获得了一定的动能和速度，然后在空中作平抛运动，而平抛的初速度就是由弹射平台的几根橡皮筋做功获得，因为所选橡皮筋规格一致，所以在将橡皮筋拉到同一位置的情况下，每一根橡到筋做的功是一样的，所以根数越多，所做的功越多，且与橡皮盘根数成正比，即：一根、两根、三根橡皮筋分别做的功为W、2W、3W，获得的速度也越大。而其获得的速度的就可以从随后所做的平抛运动的水平射程上反映出来，即：x=vt因为时间t由高度决定的，在平抛运动高度一定的情况下时间t都是相同的，则可得vx因为小球初速为0，所以小球速度的变化量V就等于平抛出时的速度V，那么橡皮筋对小球所做功W与小球速度变化V的关系就只要去看W与V的关系。又因为vx，最终我们只要观察W与X关系。所以这个实验方案的最大优点就是用水平射程的测量来代替速度的测量，大大提高了实验的直观性及操作性。四、演示过程： 1、准备工作：调节主支架使弹射平台保持水平，在弹射平台上装上一根橡皮筋，将弹射平台上的定位栓调到适当位置，先作测试，不能使水平射程过大，以免使得装上更多橡皮筋后其射程超过V字形卡位槽。 2、实验过程：取一个小球，并将小球拉到抵住定位栓后放手，并从可移动定位档板上记下小球的水平射程X1。多重复多次记下X2、X3、X4并求出它的平均值。 3、将橡皮筋增加到2条、3条、4条，重复上面的过程，并将所得的数据记录表格，如下表格1是笔者使用本实验方法得出的实验数据（V字形卡位槽到平台的距离为45cm）:项目数据橡皮条数水 平 射 程X（cm）平均水平射程X（cm）橡皮筋所做功WX1X2X31条24.1223.9824.0924.06W2条32.7032.8933.4233.002W3条38.2037.5038.4138.043W4条45.9247.8046.9046.874W 表格一五、数据处：1、将表格一中的数据作W-X图像，如图2所示：2、由图2分析后，偿试作W-X2、W-X3在作W-X2图像时(如图3)时，发现此图线为一直线，即WX2，进而得到WV2六、操作技巧及误差分析1、利用平抛运动的优点是不需要平衡摩擦力等阻力，研究对象所受外力恒定，既简化了实验操作，又提高了实验的成功率；2、用水平射程的测量来代替速度的测量，不仅测量的物理量更具有操作性，也提高了实验的直观性；3、在弹射小球的选择上，大小与轻重也要适宜。太轻大大了会增加空气阻力对实验的影响，而太重，会使平抛的初速太小，增加射程测量的相对误差。4、为增加实验精度，必须要对橡皮筋进行精挑细选。虽然我们选用的橡皮筋是同一规格，但仍可能存在较大差异，除目测进行挑选外，还可以采用简单的实验挑选：将经目测选出的橡皮筋在该装置上对同一小球进行弹射（拉升量相同），选出弹射射程大致相同的几条橡皮筋，这样才能确保每条橡皮筋在拉升相同长度的情况下作功也相同。5、实验时，小球作平抛运动的水平射程不能太小，也不能太大，太小了会导致实验相对误差较大，而太大很在可能使小球在更多橡皮筋的情况下其水平射程超过卡位槽的最大长度。所以，如果选择不同材质的小球，要配合调节定位栓的调节，使其水平射程恰到好处。6、在确定小球在V字形卡位槽上的落点时会存在一定的误差，因此在读X时，要以球心位置为基准读数，为减少相对误差，建