对“探究功与速度变化的关系”实验的分析及改进

邓庆波

(黄石市二中 湖北 黄石 435003)

人教版普通高中课程标准实验教科书《物理·必修2》在“探究功与速度变化的关系”的实验中，采用的是橡皮筋的弹力做功使小车获得动能，以探究橡皮筋弹力做功与小车速度的关系，如图1.

图1

该实验精妙之处就在于回避了功的计算.橡皮筋的弹力做功是变力做功，不能用功的公式W=Fscosα计算.但在位移相同的情况下，如果一条橡皮筋对小车做功为W时，则两条橡皮筋对小车做的功就是2W，三条橡皮筋对小车做功为3W，依次类推.这种处理方法，把不便于用公式进行计算的橡皮筋对小车的弹力的功转化为用橡皮筋的条数代替.实验设计新颖、巧妙，但也有不足之处，分析如下.

1 原实验的不足

(1)实验对橡皮筋要求高.实验中选用多条橡皮筋时，其长度、粗细不一，使得橡皮筋的拉力对小车做功与橡皮筋的条数不成正比.

(2)由于实验器材和每次操作过程的离散性，特别是在改变橡皮筋的条数后，纸带上反映匀速运动的点的位置(即小车受力为零的位置)不一定都在预先设定的点位置之后.

(3)实验中橡皮筋增至4根以上时，由于弹力过大，小车速度过大，纸带上打出的点数少，以致找不出小车匀速运动时所打的点，还容易出现小车损坏等情况.

(4)在增加橡皮筋条数时，耗时较多，还很难达到实验要求.

2 实验的改进

为了不影响实验的效果和进程，让实验更具有可操作性，可对该实验进行改进.

(1)改进方案

采用一端装有轻质滑轮的长木板，用一根细绳一端系在小车上，另一端通过滑轮挂上钩码.用垫块将长木板固定有定滑轮的一端垫起，调整长木板的倾角，直到轻推小车后，小车沿长木板向下做匀速直线运动.然后保持长木板的倾角不变，取下细线和钩码，让小车沿长木板向下做匀加速直线运动.同时，打点计时器在纸带上打出一系列的点.如图2.

图2

改进后小车在匀加速下滑过程中所受合外力恒定，其大小等于钩码重力大小.我们探究小车合外力做功与小车速度的关系.小车合外力做功等于钩码重力大小与小车位移的乘积，小车位移可直接从纸带上测量，小车速度也可从纸带上进行求解.

(2)改进实验的优点

1)巧妙地将小车合外力转化为恒力处理，小车合外力的功容易计算;

2)实验误差小，易于操作，而又不失巧妙与创新;

3)该改进还可用于牛顿第二定律的实验研究;

4)实验数据处理方法学生熟悉，实验数据的处理方便快捷，误差小.