气垫导轨探究“功与速度变化的关系”

陈 辉 夏 周

(永康市第一中学,浙江 金华 321300)

1 教材实验方案剖析

“探究功与速度变化的关系”是人教版高中《物理》必修2的一节探究性实验课.意在引导学生感受“功与速度关系”的探究过程,并为下一节动能定理教学做铺垫.

教材提供了两个实验方案如图1.

图1

(1) 小车速度太快、方向性差,常滑出轨道.

(2) 橡皮筋易老化断裂,重复利用率低,不能完全恢复形变.

(4) 所打纸带条数多,数据处理任务较重,偶然误差大.

表1 某次实验数据

表1是某次实验数据，可见误差很大,看不出正比的影子(如图2),难以令人信服,基于以上分析教材两方案操作要求高,数据分析繁,误差大,耗时久,创意虽好,但可操作性不高.

图2

2 气垫导轨探究功与速度关系实验

2.1 器材介绍

气垫导轨,气泵,光电门,光电计时器,滑块,弹簧,固定杆如图3所示.

图3

器材要求：左侧滑块：质量150g，挡光板宽d，右端有3根柱形弹簧套杆.右侧滑块：固定于气垫导轨右端，左端有3根柱形弹簧套杆.同型号弹簧4根，劲度系数500N/m，置于两套杆之间.1根弹簧使用套杆1，2根弹簧使用套杆2和3，各1根.3根弹簧使用套杆1、2、3，4根弹簧使用套杆2和3，各2根.固定杆固定左侧滑块，光电计时器记录挡光板经过时间.

2.2 实验方案

基于教材实验存在的问题,气垫导轨实验思路如下.

(1) 用滑块代替小车,气垫导轨代替木板,发挥气垫导轨方向性好,滑块运动稳定且摩擦阻力小等优点.

(2) 分别让1根、2根、3根、4根弹簧对滑块做功,将弹簧都固定在两套杆间,压缩量相同,保证做功相等,4次所做功分别为W0、2W0、3W0、4W0.

(3) 光电计时器测出滑块挡光板经过光电门的时间t1、t2、t3、t4.

FLEx和SMILE作为一种较新的激光角膜基质手术，虽然对角膜损伤较小，但还是不可避免地会造成角膜组织结构不同程度的破坏，引起眼表功能和泪液炎症因子的改变，造成术后干眼的可能。本研究发现FLEx组术后1周NIBUT较SMILE组短，FL程度较SMILE严重；术后1 d泪液中IL-1α浓度较SMILE组高。2组患者干眼症状较术前均有所加重，但组间差异均无统计学意义。

2.3 操作流程

(1) 按图3安装好器材,用酒精擦洗气垫导轨表面,疏通气孔,调节导轨水平旋钮,减少滑块运动阻力,打开气泵轻推滑块,经过两个光电门时间相等,关闭气泵.

(2) 将一根弹簧置于两套杆间,固定杆固定左侧滑块.

(3) 打开气泵电源,开启光电计时器.

(4) 释放固定杆,滑块向左运动,读出滑块挡光板经过光电门的时间,重复3次.

(5) 弹簧换成2根、3根、4根,重复上述操作.

(6) 将所得数据填入表格,图表分析.

2.4 数据分析

分别取1-4根弹簧，压缩相同量对滑块做功，每种数量操作3次,取平均值,数据如表2.

图4

3 实验教学反思

物理实验教学的核心任务在于学生思想方法的形成、探究能力的培养.库仑在探究库仑定律公式时,还无法精确获取所需电荷量,库仑巧妙地利用“等分法”获得所需电荷量,为发现库仑定律铺平了道路,用“控制变量法”找出了点电荷之间的作用规律.教材实验利用橡皮筋“倍增法”,把难以计算的变力做功改为倍增法做功,本实验继续沿用“倍增法”思想方法基础上,还采用了“比例法”,并与精密仪器相结合,注重物理思想方法的落实和实验的可操作性的提升,简化数据处理,提高实验精度.但也存在一些值得反思和改进的地方.

(1) 弹簧规格的挑选是本实验成功与否的关键,要尽量相同,即使规格相同也难免有细微差别,笔者经多种渠道采购各种型号弹簧,初步筛选出100多条,再反复试验,挑出最理想的10条供实验之用.

(2) 弹簧劲度系数大小要合适,偏软为宜,保证小车以合适的速度通过光电门,劲度系数太大,压缩困难,特别是当增加到3条、4条时,弹力很大,固定杆很难固定滑块,由于非共点力产生向下的分力,迫使滑块与气垫导轨挤压,阻力增加,影响实验精度.

(3) 光电门离滑块距离要合适,若离太近,滑块速度还未稳定,若离太远，由于阻力，滑块的速度已有所损失.

(4) 挡光片宽度合适、以1cm宽较为理想,光电门的测量精度有限,太宽太窄都不理想,太宽速度不准确,太窄时间不准确.

本实验原理清晰,思想方法独特,数据分析简洁,尤其精度达到ms数量级,学生惊讶高中实验也可以做到这个程度.可以作为教材实验基础上的一个课外补充性实验进行展示,能拓宽学生视野,激发学习兴趣,提升学生物理核心素养中的科学探究意识,科学思想方法,形成科学思维大有裨益.