PAGEPAGE4探究功與速度變化關(guān)系的實(shí)驗(yàn)方案的思考摘要：利用探究小車(chē)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置，和探究機(jī)械能守恒的實(shí)驗(yàn)裝置，以及水平傳送帶運(yùn)送物體的裝置研究恒力做功與速度變化的關(guān)系；利用彈簧和平拋的實(shí)驗(yàn)裝置和利用橡皮筋的彈力拉動(dòng)小車(chē)來(lái)研究功與速度變化的關(guān)系。關(guān)鍵詞：功，速度變化，W-v曲線。人教版高中物理必修2的《機(jī)械能守恒定律》這一章中，第六節(jié)是《探究功與物體速度變化的關(guān)系》，人教版的新教材中是讓學(xué)生先進(jìn)行理論探究，從牛頓第二定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式出發(fā)，利用邏輯推理，研究恒力做功與動(dòng)能變化的關(guān)系，然后引導(dǎo)學(xué)生思考變力做功與物體動(dòng)能的變化之間是否也存在同樣的關(guān)系。本人認(rèn)為對(duì)于以后選修物理的同學(xué)，可以讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，去探究一下功與物體速度變化的關(guān)系，可以多設(shè)計(jì)幾個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，讓學(xué)生在比較中去體會(huì)理解實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原理，通過(guò)實(shí)驗(yàn)先探究恒力做功與動(dòng)能變化的關(guān)系，再探究變力做功與動(dòng)能變化的關(guān)系，以及在不同的實(shí)驗(yàn)方案中結(jié)論是否相同，以及不同方案中如何減少誤差的影響。根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，可以參考以下幾種方案。方案一實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路：利用探究小車(chē)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置（圖1），實(shí)驗(yàn)中用鉤碼通過(guò)定滑輪拉動(dòng)小車(chē)做功（重力做功）使小車(chē)獲得動(dòng)能，探究鉤碼做的功（重力做功）與小車(chē)速度的關(guān)系。在小車(chē)運(yùn)動(dòng)的位移相同時(shí)，用一個(gè)鉤碼做的功為W，用兩個(gè)鉤碼時(shí)做的功就是2W，以此類(lèi)推可以找出功和速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于鉤碼（重力）做功，而使小車(chē)獲得的速度可以由紙帶和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)出，這樣通過(guò)若干次測(cè)量，就得到若干組功和速度的數(shù)據(jù)。以鉤碼做的功為縱坐標(biāo)，小車(chē)獲的速度為橫坐標(biāo)做出W-v曲線，以及W-v2曲線，可以分析鉤碼通過(guò)定滑輪拉動(dòng)小車(chē)做的功（可用重力做功表示）與小車(chē)獲得的速度關(guān)系。圖1注意事項(xiàng)：1、由于小車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)遇到（滑輪和細(xì)繩、小車(chē)和木板、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶之間等）阻力，所以要平衡摩擦力。平衡摩擦力時(shí)，要輕推一下小車(chē)，觀察小車(chē)是否做勻速運(yùn)動(dòng)。2、小車(chē)質(zhì)量約為200g，當(dāng)用到多個(gè)鉤碼時(shí)，小車(chē)運(yùn)動(dòng)速度過(guò)大，可能使打出的紙帶上的點(diǎn)數(shù)少，難以選到合適的點(diǎn)計(jì)算小車(chē)速度?？稍谛≤?chē)上加100g～200g砝碼。這樣可以同時(shí)滿足小車(chē)的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉤碼的質(zhì)量，拉力對(duì)小車(chē)做的功可以用重力做功表示。3、要在接通電源時(shí)，立即釋放小車(chē)，以保證小車(chē)在選取位移時(shí)，獲得的速度更為準(zhǔn)確。4、在紙帶上從第一個(gè)點(diǎn)開(kāi)始測(cè)量一段位移（如20cm），計(jì)算位移末端的速度時(shí)，采用靠近點(diǎn)的原則選取速度。就是說(shuō)當(dāng)選取的這段位移（如20cm）的末端靠近哪個(gè)點(diǎn)，就用哪個(gè)點(diǎn)的瞬時(shí)速度作為這段位移的末速度。5、縱坐標(biāo)功的單位可以用重力做的功mgh（m為一個(gè)鉤碼的質(zhì)量，g為重力加速度，h為鉤碼下落的距離即所選取的一段位移）具體的值為單位，也可以用第一次做的功為單位。方案二實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路：利用探究機(jī)械能守恒的實(shí)驗(yàn)裝置（圖2），實(shí)驗(yàn)中重錘自由落體，重力做功，重錘獲得動(dòng)能，探究重錘重力做功與重錘速度的關(guān)系。重錘所受重力不變，下落高度為h時(shí)做的功為W，下落高度為2h時(shí)做的功就是2W，以此類(lèi)推可以找出功和速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于重錘重力做功，而使重錘獲得的速度可以由紙帶和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)出，這樣通過(guò)若干次測(cè)量，就得到若干組功和速度的數(shù)據(jù)。以重錘做的功為縱坐標(biāo)，重錘獲得的速度為橫坐標(biāo)，做出W-v曲線，以及W-v2曲線，可以分析重錘重力做功與重錘獲得的速度的關(guān)系。圖2注意事項(xiàng)：1、雖然重錘運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)遇到打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶之間或空氣等阻力，但是只要重力與阻力的合力是定值,當(dāng)h加倍時(shí)，合力做功也加倍，所以不需要考慮阻力的影響。2、要在接通電源時(shí)，立即釋放重錘，以保證在選取位移時(shí)，獲得速度更為準(zhǔn)確。3、在紙帶上測(cè)量位移時(shí)每次都從第一個(gè)點(diǎn)開(kāi)始測(cè)量，為了研究方便，測(cè)量的位移成倍增加，計(jì)算每次測(cè)量的位移末端的點(diǎn)的速度。4、縱坐標(biāo)功的單位可以用重錘重力做的功mgh（m為重錘的質(zhì)量，g為重力加速度，h為鉤碼下落的距離即所選取的一段位移）具體的值為單位，也可以用第一次做的功為單位。方案三實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路：利用水平傳送帶運(yùn)送物體的裝置（圖3），探究摩擦力做功與物體速度的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中傳送帶勻速運(yùn)動(dòng)，物體由靜止釋放，摩擦力對(duì)物體做功，當(dāng)物體的速度與傳送帶相同時(shí)，摩擦力消失，不做功。通過(guò)改變傳送帶勻速的速度，也就是改變物體最后獲得的速度，物體在傳送帶上滑動(dòng)的位移不同，而摩擦力不變，所以每次摩擦力做功不同。記錄每次相對(duì)滑動(dòng)的位移就可以找出功和速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于物體的速度可以由傳送輪的轉(zhuǎn)速獲得，可以在物體下面涂粉筆留下相對(duì)滑動(dòng)的痕跡，用來(lái)測(cè)相對(duì)滑動(dòng)的位移，這樣通過(guò)若干次測(cè)量，就得到若干組功和速度的數(shù)據(jù)。以摩擦力做的功為縱坐標(biāo)，物體獲得的速度為橫坐標(biāo)，做出W-v曲線，以及W-v2曲線，可以分析摩擦力做功與物體獲得的速度的定量關(guān)系。圖3注意事項(xiàng)：1、在開(kāi)始實(shí)驗(yàn)前要首先讓學(xué)生分析清楚只有摩擦力做功才使物體獲得動(dòng)能，其次還需從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度分析清楚粉筆記錄下來(lái)的位移是相對(duì)滑動(dòng)的位移，但是這個(gè)位移的大小剛好與摩擦力做功的位移大小相等。2、每次要靜止施放物體，物體最后的速度就是傳送帶勻速傳動(dòng)的速度。3、縱坐標(biāo)功的單位可以用摩擦力做功具體的值為單位，也可以用第一次做的功為單位。上面的三種方案都是恒力做功引起物體動(dòng)能的變化，變力做功與速度變化會(huì)有什么規(guī)律呢？變力做功的值不好測(cè)量，但是可以發(fā)現(xiàn)我們要研究的功與速度變化的關(guān)系和做功的具體數(shù)值無(wú)關(guān)，所以研究變力做功與速度變化的關(guān)系時(shí)，只要能夠記錄功的倍數(shù)關(guān)系就可以。方案四實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路：利用彈簧和平拋的實(shí)驗(yàn)裝置（圖4），實(shí)驗(yàn)中利用彈簧的彈力做功使小球獲得動(dòng)能，探究彈簧彈力做功與小球速度的關(guān)系。小球離開(kāi)彈簧后做平拋運(yùn)動(dòng)，測(cè)量平拋的水平位移可以獲得小球平拋的初速度。每次彈簧的壓縮量不同，彈力做功也不同，利用上一節(jié)的知識(shí)可以計(jì)算每次彈簧做功的大小。這樣可以找出功和速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。以彈簧彈力做功為縱坐標(biāo)，小球獲得速度為橫坐標(biāo)，做出W-v曲線，以及W-v2曲線，可以分析彈簧彈力做功與小球獲得的速度關(guān)系。圖4注意事項(xiàng)：1、選擇勁度系數(shù)較大的彈簧，盡量光滑的小球，這樣可以忽略摩擦力的影響。2、保證物體離開(kāi)彈簧后做平拋運(yùn)動(dòng)，利用平拋知識(shí)算出小球的初速度，即彈簧做功后的小球速度。3、縱坐標(biāo)功的單位可以用彈簧彈力做功的具體值為單位，也可以用第一次做的功為單位。方案五實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路：實(shí)驗(yàn)中用橡皮筋的彈力拉動(dòng)小車(chē)做功使小車(chē)獲得動(dòng)能，探究橡皮筋做的功與小車(chē)速度的關(guān)系。橡皮筋的彈力是變力，所做的功是變力功，沒(méi)有現(xiàn)成的公式可以計(jì)算功的大小。即使知道彈力功的公式也不能用它進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)橄鹌そ畹膭哦认禂?shù)也是變化的。但是在相同的位移情況下，用一條橡皮筋做的功為W，用兩條橡皮筋時(shí)做的功就是2W，依此類(lèi)推可以找出功和速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)方法巧妙地避開(kāi)了應(yīng)用功的公式計(jì)算恒力功的大小，設(shè)計(jì)思路充分體現(xiàn)了探究的精神。圖5注意事項(xiàng)：1、由于小車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)遇到（滑輪和細(xì)繩、小車(chē)和木板、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶之間等）阻力，所以要平衡摩擦力。平衡摩擦力時(shí)，要輕推一下小車(chē)，觀察小車(chē)是否做勻速運(yùn)動(dòng)。2、要選擇粗細(xì)差不多，彈性也比較一致的橡皮筋為好。3、紙帶上的點(diǎn)距并不都是均勻的，選擇點(diǎn)距均勻的點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。4、縱坐標(biāo)功的單位用第一次做的功w為單位。這節(jié)課的是典型的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)：是要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的，運(yùn)用研究物理問(wèn)題的方法，選取適當(dāng)器材，自己設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，并規(guī)范地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，記錄數(shù)據(jù)，分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)對(duì)提高學(xué)生靈活運(yùn)用科研方法的能力和遷移知識(shí)的能力很有