探究功与物体速度变化的关系实验

1探究功与物体速度变化的关系新县高级中学物理组余海珠【实验目的】1、领会探究功与物体速度变化的关系实验的设计思路；明确用一个钩码对物体所做的功为单位简化问题的思想方法；知道利用小车做匀变速运动测量速度的方法。2、能独立进行实验操作，会采集实验数据；能够对实验数据进行分析与处理中寻找W与v的关系。3、让学生经历自主探究、合作学习的情感体验。【重点难点】重点：实验方案的设计与筛选难点：通过对实验数据的分析得出功与物体速度变化的关系【实验器材】小车（前端带小钩，选择有轮缘的轮子，以尽可能保证小车作直线运动），用铝合金轨道做成的斜轨道，电火花计时器及纸带，相同砝码五个。【教学过程】一、课题的引入师：我们已经成功地建立了重力势能的概念，知道了重力的功与重力势能间的关系，也探究了弹性势能的表达式，知道了弹力的功与弹性势能间的关系。那么，力对物体所做的功与物体的动能间又存在着什么关系呢？生：（进行议论）师：足球射门中，运动员射箭时，足球与箭的都获得了动能。据测算，足球射门时，其速度最大可达到100m/s左右，这些动能是从哪里来的？外力的功会引起物体动能的变化。功与物体动能的变化量间又存在着什么关系呢？生：（进行议论）师：我们知道，物体的动能与它的速度是密切相关的，而物体速度的变化又与它所受力的功有关。那么，功与物体速度的变化间又存在着怎样的关系呢？师：探究功与物体速度变化的关系时可以采用什么方法？今天，我们通过实验的方法来探究功与物体速度变化的关系。二、实验方案的设计与选择师：我们应该采用什么实验方案进行探究呢？请同学们先设计一个合适的实验方案。说明：（稍顷）让学生交流所设计的实验方案（指定几名学生在黑板上画出，其余学生在草稿纸上2画，教师选择在巡回指导中注意到若干典型的设计方案在投影仪上打出）。师：同学们提出了许多实验方案，我们应选用什么方案比较好呢？请同学们认真考虑一下，利用实验探究功与物体速度变化的关系时需要测量哪些物理量？生：测量力对物体所做的功及力对做了这个功后物体运动的速度。师：在实验探究中应如何对物体做功？又应该怎么表示每次做功的大小呢？分组讨论：（引导学生在讨论中明确）既可以考虑用恒力做功，也可以用变力做功。若用恒力做功，譬如，用如图3所示的砝码盘牵引着小车做实验，可以通过改变砝码盘的质量的方法来改变功的大小，用W=FS表示功的大小，并引导学生思考怎样在实验中具体地测出功。引导学生思考：能否设计一个实验来探究变力的功与物体速度变化的关系？说明：引导学生回忆马拉车时的情景，我们是否能够设计一个实验来研究功与物体速度变化的关系？学生分析讨论后得出:可以考虑用教材中图7.6-1所示的方法进行实验（教师出示图2所示的实验器材，它由教材中图7.6-1所示所用的实验改进而成，因为直接采用教材中的实验装置很难进行实际操作），通过每次增加一个钩码的方法来改变功的大小。师：那么，物体运动的速度应怎么测量呢？分组讨论：（教师引导学生讨论）学生很容易想到用打点计时器，也可以考虑用气垫导轨配套的光电门测量速度，或用红外线传感器直接测量物体的速度。师：我们应该选用什么方法测量物体运动的速度比较好呢？分组讨论：（教师引导学生通过讨论选定采用的方案）采用各种方法时各有什么优缺点？根据现有的实验条件，选择什么方案好呢？说明：在用各种不同的方法测量小车的速度时，教师应引导学生明确：首先要通过各种途径了解实验的原理。让学生认识到，实验的目的不仅仅是为了动手实验，更是为了通过不断地动脑和不断地解决问题的过程中提高分析问题和解决问题的能力。实验的价值也体现在这里。师：在设计实验方案时，要根据实验目的与现有的实验条件进行选择，当利弊共存时，要辩证地选择合适的方案，而不是一味地追求所谓的精确。师：（在学生通过充分地思考与讨论形成较为清晰的思路的基础上，与学生约定）今天，我们就利用教材中的实验方案进行实验探究。那么，我们在实验探究前首先要明确哪些内容呢？师生互动：（教师组织学生进行交流）学生通过讨论后认为进行实验前首先要解决的问题有：（1）实验中需要首先解决哪几个关键的问题？（2）实验装置应怎么组装？（3）实验的程序？（4）怎样进行实验数据的采集、分析与处理？3说明：教师引导学生展开进一步地思考与讨论，并通过班集体的交流中明确对策的同时，教师适时地在黑板上写出点睛式的板书：（1）钩码的选择：相等质量（2）功的确定：绳拉力的功用W=FL公式计算,保持小车相同的运动距离，则弹力做功的大小与拉力成正比。依次增加砝码的个数，各次实验中绳拉力对小车做的的功可以用的倍数来表达。（3）绳拉力的功是不是就是我们所探究的问题中的那个功呢？不是，因为实验中除了绳拉力做功，还有摩擦力做功，摩擦力若忽略不计，将影响实验的精度。（4）如何消除摩擦力的影响呢？使轨道倾斜一个合适的角度，让重力沿斜面向下的分力来平衡摩擦力。可以轻轻推一下小车，并利用打点计时器打出的纸带上的点的分布情况来判断小车是否作匀速运动。（5）如何测定小车的速度？利用纸带，为探究绳拉力做功与小车速度的关系，需要测量的是小车运动相同位移时的速度，小车速度的表达式为v=s/2T，其中T是打点计时器的振动周期。（6）利用W-v图象进行实验数据的处理比较直观方便。（7）实验器材的选择：①小车（前端带小钩，轮子做成有轮缘的火车轮子那样，以尽可能保证运动中的直线性）；②用铝合金轨道做成的斜轨道、③电火花打点计时器及纸带；④五个等质量的砝码。（8）实验步骤：①安装好实验器材。②平衡摩擦力。③依次用一个、两个、三个、……、五个钩码，拉小车，接通电源，放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列的点，取下纸带，在纸带上标上“次别号码”。④在预先设计好的表格中，记下各次实验中小车作匀速度运动时的速度和绳拉力对小车所作的功。⑤利用W-v图象分析小车运动拉力做功与其速度的关系。三、实验操作与相关数据的采集师：请同学们分四人小组组装好有关器材，进行实验。说明：让学生分组通过合作学习的方式进行大约15分钟的实验，教师进行巡回指导，以便在对实验情况进行讲评的环节中，有的放矢，充分体现教师的主导作用，从而更好地达到分组实验的目的。四、实验数据的分析与处理（1）应该用平滑的线连接W-v坐标轴上的点，得到平滑的曲线。4（2）因为在W-v坐标系中描绘出W、v的各对应点后，既要观察各点的位置关系，又要考虑这些点间应有的函数关系。而由于存在着实验误差，这些点的位置既可能表现为直线分布，也可能呈曲线分布。如果实验得到的各点在W-v坐标系中大致呈线性分布，又如何解释？如何处理？说明：为了使得W-v坐标平面上各对应点分布成非线性。可以考虑采用以下几条措施：一是，在小车上加砝码，通过增加小车质量的方法，使小车速度不致过快。二是在画W-v曲线时加大W坐标轴的单位长度。三是从原点O开始描绘图线。（3）在W-v图象中得到W、v是一条曲线，说明什么问题？是否可以说明W、v间呈双曲线分布关系？为什么？请同学们认真想想，是否可以运用其它办法来分析W、v间的函数关系？说明：在讨论过程中，要适时地引导学生思考是否可以通过描绘W-v2图线来看看W、v间的函数关系。（4）实验结论：（引导学生得出结论）功与物体速度的平方成正比。五、作业设计（1）初速度不为零时，功与物体速度变化的关系又是怎样的呢？（2）功与物体的质量间存在什么关系？请你设计一个实验进行探究之。