《探究功与物体速度变化的关系》实验方案

《探究功与物体速度变化的关系》实验方案人教版高中物理新课标·必修2，引入“探究功与物体速度变化的关系”实验，通过实验探究对原来静止的物体做的功与物体获得的速度的关系，目的是为了让学生经历和体验探究的过程，提高理论联系实际的水平。为下一节“动能和动能定理”的理论推导奠定一个认识基础，通过本节内容的教学，也可以促使学生在学习动能定理后能比较深刻地认识到动能定理不仅在恒力做功的条件下成立，在变力做功的条件下也是成立的。依据实验目的可提出三种实验方案，现分别介绍如下：一、通过探究和体验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，如图1（见普通高中课程标准实验教科书物理必修2·第七章机械能守恒定律第六节实验：探究功与速度变化的关系）。1．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。2．注意事项本实验中除了要平衡摩擦力（滑轮和细绳、小车和木板、打点计时器和纸带之间等）外，橡皮筋也是影响实验效果的关键因素。因此建议选用航模专用橡皮筋。规格1mm×1mm或2mm×2的均可。这种橡皮筋使用前要先用清水洗一下，然后阴干，再用适量中性润滑济（如洗发水或洗手液等）用手搓揉均匀。用毕可用塑料袋装好放入冰箱里保存，可多次使用。二、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（如图2）。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。1．实验设计思路：利用探究小车运动规律的实验装置（如图2），实验中用钩码通过定滑轮拉动小车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。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。2．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为单位，也可以用重力做的功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、本实验方案是利用自由落体运动实验装置，通过探究物体做功（重力做功）与物体获得的动能关系，即重力做功与重物在下落过程中各点获得速度变化的关系。实验装置如图3，设重物质量为m，重物下落的高度为h，重物下落的速度为v，则重物做的功为W=mgh，其下落过程中获得的动能为mV2/2。实验中通过在纸带上测量1h、2h、3h、4h、5h、6h……各点对应的速度v1、v2、v3、v4、v5、v6……来探究功与速度的关系。