| 标题 | 利用橡皮筋探究变力做功的实验改进 |
| 范文 | 陈杏子 徐金玲 潘仕恒 摘 要：在“探究功与速度变化的关系”的实验中，教材给出了恒力做功和变力做功两个实验案例。前一案例的测量（力、位移、速度）稳定，测量方便，容易达到实验目的；而后一案例的变力较难控制，实验不易成功。如果设计恰当，只需使用常见的办公用橡皮圈，就能收获很好的实验效果。 关键词：橡皮筋；变力做功；实验；改进 中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）11-0061-3 人教版的高中物理必修二第七章《机械能守恒定律》，安排了“探究功与速度变化的关系”实验。 为使实验具有普适性，教材分别设计了恒力做功和变力做功两个参考案例。恒力做功的实验装置与验证牛顿第二定律的装置相同，需测量的物理量确定，实验较容易实施，故不作为本文的研究对象。在变力做功的实验中，由于存在很多不确定的因素，看似简单的实验，笔者进行了一个多星期的准备，屡屡失败最终艰难成功。下面与读者分享这一历程。 1 教材中的实验设计 如图1，用橡皮筋拉静止的小车，小车运动获得速度。小车的速度用打点计时器测量，而橡皮筋拉力（弹力）是变力，无法直接测量并计算拉力做的功。为此，对弹力做功做特别处理，在实验操作中分别用1根、2根、3根......相同的橡皮筋并联拉小车，保证小车每次从同样的位置被弹出，即每根橡皮筋每次的伸长量相同，弹力相同，相应做的功也相同。橡皮筋对小车做的功分别是1W、2W、3W......。测出对应小车被弹出后的速度，做出W-v、W-v2等图像，找出功与小车速度的关系。 本实验设计巧妙地避开了变力做功的计算，使物体从静止开始运动，减少测量的物理量，实验装置简单，所用器材普通，每个学生均可参与实验。 2 实验存在的问题与改进思路 然而，上述实验在实际操作中却遇到很多问题，主要有：①小车运动、打点过程受到的摩擦力较大，平衡摩擦力的实际操作比较困难。②打点计时器测量速度时需要进行大量的长度测量和计算，难以在一节课的时间内完成。③当小车被3根以上橡皮筋拉动时，小车在较大的弹力作用下迅速被弹出，而橡皮筋的长度不大，小车做直线运动的行程较短（约10 cm），纸带能打出的点数少，未能完全反映小车由加速到匀速的运动过程，无法正确测出橡皮筋做功后小车获得的末速度。④由于橡皮筋的弹力变化不规则，小车的运动容易偏离直线，当增加橡皮筋的条数时，这种情况更加明显。 针对上述问题，笔者对实验做了如下改进：①用水平气垫导轨来代替长木板，从而保证小车沿直线运动，并且极大地减少摩擦力对本实验的影响，省去了平衡摩擦力这一环节；②用光电门采集数据以计算速度，减少人工测量的次数和数据处理量；③用EXCEL进行相关速度的计算以及绘制相关图表，即把速度的计算等公式和其他已知量编在相应的单元格中，实验中只需记录填入挡光片通过光电门的时间，运算与描图自动完成。④增加滑块从加速到匀速的运动行程，确保测量的末速度是滑块稳定匀速行驶时的速度。⑤寻找弹力变化更规则的橡皮筋，减小伸长量对弹力的影响带来的系统误差。 3 实验探索过程 尝试一：用橡皮圈直接拉滑块做功 主要器材和装置如图2，橡皮筋用办公用的橡皮圈（通常用来轧钞票或票据，直径约为40 mm，横截面1.4 mm）。开始时先用1个橡皮圈来拉滑块，然后每次增加一根（并联）橡皮圈，并保证每次都拉伸到相同的位置释放，采集的数据如表1。 从表1可以看出，当增加到4个橡皮圈拉小车时，小车通过光电门的时间基本没有变化，这与“做功越多小车获得的速度越大”不相符。是否是偶然误差呢，笔者重复了几次实验，结果都相差不大，即都是第4个时数据出现异常。并联的橡皮圈增多后，两端因交叠在一起，导致橡皮圈的长度不相同从而引起系统误差。为此，做如下改进。 尝试二：用细线连接橡皮圈后拉滑块 实验装置如图3，在橡皮圈前后均拴上细线，避免两端的交叠，使在每次实验中每个橡皮圈的伸长量相等。加上细线，可使滑块的受力汇于一线，也使滑块的运动行程变大，纸带打出的点数变多。实验数据如表2。 改进后的结果与前一次相差无几，仍然是第四组起出现问题。笔者仔细观察了实验用的橡皮筋，发现这些办公用的橡皮圈制作工艺粗糙，粗细不一，长度的一致性差，致使其劲度系数不同，弹性限度可能也不一样。当用多根橡皮圈并联拉伸滑块时，有些橡皮圈还是处于松弛状态，并没有产生弹力作用。可见，橡皮筋是影响实验效果的关键因素。 尝试三：换用质量好的橡皮筋 笔者尝试用质量更好的橡皮筋代替上述橡皮圈，于是找来女孩扎头发用的橡皮筋（发圈）来代替。这种发圈的内部由多根细的橡皮筋组成，把橡皮筋抽出来，实验时每次增加一条，相关数据如表3： 结果发现，实验结果有较大改善，当并联到五根橡皮筋时才出现数据异常。这次所用橡皮筋的长度比橡皮圈长，粗细均匀，柔软性好，劲度系数较小，即使伸长量较大，弹力也不是太大。这种橡皮筋的外层包裹有纱线，当伸长量较大时，这层纱线对弹力产生阻滞作用，故其对实验会有一定的影响。 尝试四：调整思路，实验结果柳暗花明 从前面几次实验可看出，换用质量更好的橡皮筋是解决问题的关键，但那样会使实验过度依赖器材而不具普适性。为此，笔者结合之前的经验和教训，做如下改进：随机取四个橡皮圈串联成一个橡皮圈条代替以前的一条橡皮筋，在实验前先反复几次拉伸串联好的橡皮圈，然后再把橡皮圈分别套在导轨和滑块两端，实验装置如图4。实验数据如表4。 这会不会是偶然的结果呢？笔者重新进行了两次实验，结果几乎没有变化。可见，串联使用橡皮圈在一定程度上改善了橡皮筋的性能。笔者还尝试了3个和5个橡皮圈串联的实验，并与四个橡皮圈串联进行比较，做出的W-v图像如图7，图像反映的趋势几乎相同。 单个橡皮圈之间存在粗细、长短、材料等原因造成的差异，但随机的多个橡皮圈串联后可在一定程度上相互补偿抵消这些差异。另外，橡皮圈串联后的长度比单独一个橡皮圈的长度增加了数倍，一方面有效地改善了橡皮筋的劲度系数，特别是劲度系数变小后，可使实验中橡皮筋有较大的伸长量，从而减小伸长量的微小差异而对弹力有较大的影响，另一方面，橡皮条变长后，滑块的运动行程加大，确保小车是在匀速阶段时测量的速度。 4 实验总结 “探究功与速度变化的关系”实验包含了完整的现代物理实验过程。 前三个实验均没有得出预期的实验结果，主要原因发生在对橡皮筋的选择上。首先，橡皮筋的长度（原长）不能太短，10～15 cm为宜。如果太短，实验过程中的微小变化都可能带来较大的误差。其次，要保证每条橡皮筋的物理性质几乎相同。当随机地取几个橡皮圈串联成橡皮圈条代替橡皮筋时，能较好地解决上述两个问题，这是实验得以顺利完成的主要因素。 如果条件许可，建议采用气垫导轨和光电门的实验装置。导轨要借助用水平仪调水平，光电门与滑块初位置的距离不能太近，要保证在橡皮筋恢复原长后，在匀速阶段测量滑块的速度。应用EXCEL处理数据是实验中另一不可或缺的手段，高中阶段的学生应该掌握这一研究方法。 参考文献： [1]施美玲，候恕. 高中物理教学中应用物理图景理论探讨[J]. 物理教学探讨，2015，33（7）：28—33.（栏目编辑 王柏庐） |
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