氣墊導(dǎo)軌探究“功與速度變化的關(guān)系”

陳 輝 夏 周

(永康市第一中學(xué),浙江 金華 321300)

1 教材實(shí)驗(yàn)方案剖析

“探究功與速度變化的關(guān)系”是人教版高中《物理》必修2的一節(jié)探究性實(shí)驗(yàn)課.意在引導(dǎo)學(xué)生感受“功與速度關(guān)系”的探究過程,并為下一節(jié)動(dòng)能定理教學(xué)做鋪墊.

教材提供了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)方案如圖1.

圖1

(1) 小車速度太快、方向性差,?；鲕壍?

(2) 橡皮筋易老化斷裂,重復(fù)利用率低,不能完全恢復(fù)形變.

(4) 所打紙帶條數(shù)多,數(shù)據(jù)處理任務(wù)較重,偶然誤差大.

表1 某次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1是某次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可見誤差很大,看不出正比的影子(如圖2),難以令人信服,基于以上分析教材兩方案操作要求高,數(shù)據(jù)分析繁,誤差大,耗時(shí)久,創(chuàng)意雖好,但可操作性不高.

圖2

2 氣墊導(dǎo)軌探究功與速度關(guān)系實(shí)驗(yàn)

2.1 器材介紹

氣墊導(dǎo)軌,氣泵,光電門,光電計(jì)時(shí)器,滑塊,彈簧,固定桿如圖3所示.

圖3

器材要求：左側(cè)滑塊：質(zhì)量150g，擋光板寬d，右端有3根柱形彈簧套桿.右側(cè)滑塊：固定于氣墊導(dǎo)軌右端，左端有3根柱形彈簧套桿.同型號(hào)彈簧4根，勁度系數(shù)500N/m，置于兩套桿之間.1根彈簧使用套桿1，2根彈簧使用套桿2和3，各1根.3根彈簧使用套桿1、2、3，4根彈簧使用套桿2和3，各2根.固定桿固定左側(cè)滑塊，光電計(jì)時(shí)器記錄擋光板經(jīng)過時(shí)間.

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

基于教材實(shí)驗(yàn)存在的問題,氣墊導(dǎo)軌實(shí)驗(yàn)思路如下.

(1) 用滑塊代替小車,氣墊導(dǎo)軌代替木板,發(fā)揮氣墊導(dǎo)軌方向性好,滑塊運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定且摩擦阻力小等優(yōu)點(diǎn).

(2) 分別讓1根、2根、3根、4根彈簧對(duì)滑塊做功,將彈簧都固定在兩套桿間,壓縮量相同,保證做功相等,4次所做功分別為W0、2W0、3W0、4W0.

(3) 光電計(jì)時(shí)器測(cè)出滑塊擋光板經(jīng)過光電門的時(shí)間t1、t2、t3、t4.

FLEx和SMILE作為一種較新的激光角膜基質(zhì)手術(shù)，雖然對(duì)角膜損傷較小，但還是不可避免地會(huì)造成角膜組織結(jié)構(gòu)不同程度的破壞，引起眼表功能和淚液炎癥因子的改變，造成術(shù)后干眼的可能。本研究發(fā)現(xiàn)FLEx組術(shù)后1周NIBUT較SMILE組短，F(xiàn)L程度較SMILE嚴(yán)重；術(shù)后1 d淚液中IL-1α濃度較SMILE組高。2組患者干眼癥狀較術(shù)前均有所加重，但組間差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.3 操作流程

(1) 按圖3安裝好器材,用酒精擦洗氣墊導(dǎo)軌表面,疏通氣孔,調(diào)節(jié)導(dǎo)軌水平旋鈕,減少滑塊運(yùn)動(dòng)阻力,打開氣泵輕推滑塊,經(jīng)過兩個(gè)光電門時(shí)間相等,關(guān)閉氣泵.

(2) 將一根彈簧置于兩套桿間,固定桿固定左側(cè)滑塊.

(3) 打開氣泵電源,開啟光電計(jì)時(shí)器.

(4) 釋放固定桿,滑塊向左運(yùn)動(dòng),讀出滑塊擋光板經(jīng)過光電門的時(shí)間,重復(fù)3次.

(5) 彈簧換成2根、3根、4根,重復(fù)上述操作.

(6) 將所得數(shù)據(jù)填入表格,圖表分析.

2.4 數(shù)據(jù)分析

分別取1-4根彈簧，壓縮相同量對(duì)滑塊做功，每種數(shù)量操作3次,取平均值,數(shù)據(jù)如表2.

圖4

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)反思

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心任務(wù)在于學(xué)生思想方法的形成、探究能力的培養(yǎng).庫(kù)侖在探究庫(kù)侖定律公式時(shí),還無法精確獲取所需電荷量,庫(kù)侖巧妙地利用“等分法”獲得所需電荷量,為發(fā)現(xiàn)庫(kù)侖定律鋪平了道路,用“控制變量法”找出了點(diǎn)電荷之間的作用規(guī)律.教材實(shí)驗(yàn)利用橡皮筋“倍增法”,把難以計(jì)算的變力做功改為倍增法做功,本實(shí)驗(yàn)繼續(xù)沿用“倍增法”思想方法基礎(chǔ)上,還采用了“比例法”,并與精密儀器相結(jié)合,注重物理思想方法的落實(shí)和實(shí)驗(yàn)的可操作性的提升,簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理,提高實(shí)驗(yàn)精度.但也存在一些值得反思和改進(jìn)的地方.

(1) 彈簧規(guī)格的挑選是本實(shí)驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵,要盡量相同,即使規(guī)格相同也難免有細(xì)微差別,筆者經(jīng)多種渠道采購(gòu)各種型號(hào)彈簧,初步篩選出100多條,再反復(fù)試驗(yàn),挑出最理想的10條供實(shí)驗(yàn)之用.

(2) 彈簧勁度系數(shù)大小要合適,偏軟為宜,保證小車以合適的速度通過光電門,勁度系數(shù)太大,壓縮困難,特別是當(dāng)增加到3條、4條時(shí),彈力很大,固定桿很難固定滑塊,由于非共點(diǎn)力產(chǎn)生向下的分力,迫使滑塊與氣墊導(dǎo)軌擠壓,阻力增加,影響實(shí)驗(yàn)精度.

(3) 光電門離滑塊距離要合適,若離太近,滑塊速度還未穩(wěn)定,若離太遠(yuǎn)，由于阻力，滑塊的速度已有所損失.

(4) 擋光片寬度合適、以1cm寬較為理想,光電門的測(cè)量精度有限,太寬太窄都不理想,太寬速度不準(zhǔn)確,太窄時(shí)間不準(zhǔn)確.

本實(shí)驗(yàn)原理清晰,思想方法獨(dú)特,數(shù)據(jù)分析簡(jiǎn)潔,尤其精度達(dá)到ms數(shù)量級(jí),學(xué)生驚訝高中實(shí)驗(yàn)也可以做到這個(gè)程度.可以作為教材實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的一個(gè)課外補(bǔ)充性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行展示,能拓寬學(xué)生視野,激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)中的科學(xué)探究意識(shí),科學(xué)思想方法,形成科學(xué)思維大有裨益.