学生实验教学创新设计

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

【教学目标】

1、知识与技能

（1）学会借鉴速度与位移的关系等旧知识解决新问题；

（2）学习利用物理图像探究功与物体速度变化的关系。

2、过程与方法：通过用小球的初速与在斜面上走的位移相关量变化的关系，体验知识的探究过程和物理学的研究方法。

3、情感态度与价值观：体会学习的快乐，激发学习的兴趣；理论分析再通过亲身实践，树立“实践是检验真理的唯一标准”的科学理念。

【教学重点】

通过位移与速度的关系，变向学习探究功与物体速度变化的关系，以及新的物理方法――倍增法，并会利用图像法处理数据。

【教学难点】

实验数据的处理方法――列表法、图像法。

【教学课时】

1课时

【教学设计】

相比教材，提出方法

1.实验目的：

本实验的实验目的是探究功与速度的变化关系。

我们知道，功是力在空间上的积累效应，是一个过程量，而速度是一个状态量，速度变化才是过程量，所以我们必须向学生交代清楚这一点，并指明当我们研究力对原来静止的物体做功时，速度变化的大小与物体获得的速度在数值上是相同的。于是我们的实验目的为探究力对原来静止的物体做的功与物体获得的速度的关系。

2.实验装置：见图。配套器材：课本方案装置

3.实验原理：（1）倍增法。虽为变力做功，但橡皮条做的功，随着橡皮条数目的成倍增加功也成倍增加。我们设法回避求变力做功的具体数值，逐步引导学生得出用一根橡皮筋做功记为W，用两根橡皮筋做功记为2W，用三根橡皮筋做功记为3W。。。。。从而回避了直接求功的这种方法。这种方法的构思极为巧妙。历史上，库仑应用类似的方法发现了著名的库仑定律。当然，恒力做功时，倍增法同样适用。（2）借助中介参量。虽然实验需要得出的结果是速度，但小球沿斜槽往上滚时是作匀减速直线运动，到达最高点时速度为零。根据v2=2ax可知速度的平方与滚上去的位移成正比。得出位移即可变向得出做功与速度的关系。

4.数据处理方法：列表法。得出功与位移以及与速度值填入表中作研究。图像法。作出W-v

或W-v曲线，分析这条曲线，得出功与速度变化的定量关系。

实验方案的完善：

1、导轨采用浅槽：

为保证小球稳定运动，斜槽可以用深槽。但是这种深槽虽然在限定小球的路径方面有好的效果，却在一开始让小球弹射出去的时候造成了不便。因为槽越深，小球陷得越里，因而皮筋无法绕到槽里面去。而且略宽的深槽也会使得小球弹射的初始方向不稳定，浅槽则可以使小球搁在上面，每次弹射方向完全一致。

2、用夹子代替书本上传统的钉子：

夹子代替钉子，可以操作更为方便，并且利于调节。一般用的钉子上捆上皮筋其实是挺麻烦的事。而且打结后的长度一样也难控制，多根皮筋的时候，其中一部弹力和另一些并不相同。而夹子则可以轻松解决这个问题。

3.

关于橡皮筋的选用：

从本实验的设计思路看，橡皮筋的选择是关键。本实验要求用相同规格的橡皮筋，但市场上常见的橡皮筋粗细不一，一致性差，不同橡皮筋之间的弹力差异也比较大。而且由于橡皮橡皮筋比较粗，弹力偏大，当实验中橡皮筋的数目增至4根以上时，弹力过大，小球容易飞出槽末端。因此，市场上常见的橡皮筋并不适合用在本实验中。所以首要便是选好合适的皮筋。

4．最高点的测量

接近最高点时小球的速度已降低到几乎为零。人眼加记忆就可以测出最高点的位移。不过为了实验更加精准更加方便。我们可以在槽的最高点处制一轻质纸制活动挡板。先弹射小球一次，记住小球到达最高点的大概位置，再弹射前把挡板放在刚下小球可以几乎不受影响的把挡板顶到一定高度。小球滚回来后，纸片却由于阻力而停在最高点。更方便读数。

采集数据，生成结论

1、怎样判断功与速度变化的关系呢？

由于前面我们学习“探究加速度与力、质量的关系”时接触过类似问题，学生很容易能想到作图线的方法。如果图像是一条直线那么它们就成正比关系，如果不是又怎样呢？学生23思考交流后会答出可以分别作出W-v,W-v，W-v，W-v等关系曲线，从中寻求答案。这2样，引导学生设计出表格。从给小球做功与位移的关系，再结合v=2ax，找到功与速度的关23Wv,Wv,Wv,Wv的关系曲系，列出表。然后在坐标纸上描点连线，分别作出2线。

2、确立基本的实验方案，设计初步的实验步骤：

A.先将木板置于水平桌面，然后装好实验各部件。

B.先用一条橡皮筋做实验，把橡皮筋拉长到一定的位置静止释放小球，让小球冲上斜坡，测量出最高位移。

C.改用2条、3条……同样的橡皮筋进行实验，保持每次实验中橡皮筋拉长的长度相同。

D.由位移与速度的关系进行分析，把小球第一次获得的功计为W，第2次，第3次……计为2W，3W

……

2E.对测量数据进行估算，结合v=2ax大致判断W与v的关系，然后以W为纵坐标，v，v2（或其它）为横坐标作图。

F.以功为纵轴（第一次橡皮筋做的功为纵轴的单位长度），以速度为横轴（第一次小球的速度为横轴的单位长度），建立坐标系，用描点法作出图像，看看是否是正比例图像，若不是，功与速度的哪种相关量（的变化量）是正比的，功就与速度的这种相关量（的变化量）具有确定的函数关系。

3.处理数据，得出规律

1、采集橡皮条分别为一根、两根……、六根时的数据（匀速运动阶段，例如在0.1s内的位移），记在自己设计的表格中。

2、记录数据的方式示例

示例――倍数关系

W/ X/×10m v -21 1 X1

V1 2 2 X2

V2

3 3 X3

V3

4 4 X4

V4

3.转化成Excel数据，利用数表软件进行数据处理

示例一－―数据关系

实验次数

橡皮筋个数

对小球做功

小球上斜坡距离(cm) 小球的速度(x /k) 小球速度的平方(x/k)

1 1 1W 13.2 1 1 2 2 2W 25.9 1.4 2 3 3 3W 39.1 1.7 3 4 4 4W 52.2 2 4

分析得：只有速度的平方具有倍数关系。

结论：功与速度的平方成正比。（本实验为便于探究，设初速度为零。）

结论推广：初速度不为零时，功与速度平方的变化量成正比。

总结

（1）本实验用倍增思想设计，探究变力做功与速度的相关量的变化之间的关系。体现了探究过程采用的物理方法－倍增方法，用这种方法设计实验是非常精妙的。

（2）但本实验中，还需要用到匀变速直线运动等相关的知识与技能。

（3）实验探究能更强烈地激发学生的学习兴趣，体会学习的快乐；并通过亲身实践，树立起“实践是检验真理的唯一标准”的科学理念。

（4）本课的主线，是分析论证实验预案、确定完善课本方案并在实验操作中改进实验、对实验数据进行分析处理得出结论。