章慧雄陸暉

(浙江省龍游中學(xué) 浙江 衢州 324400)

“探究功與物體速度變化的關(guān)系” 是一節(jié)典型的探究性實驗課.筆者在本課中運用力傳感器探究功與物體速度變化關(guān)系，所得數(shù)據(jù)理想，操作簡單、實用.通過本節(jié)課的教學(xué)，可以鞏固圓周運動知識并使學(xué)生對動能定理有了更深刻的認識.

1 力傳感器工作原理

力傳感器有多種.本文所用的傳感器為電阻應(yīng)變式傳感器(圖1),其核心元件為電阻應(yīng)變片.當(dāng)金屬或半導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生變形時，電阻將發(fā)生變化.力傳感器結(jié)合數(shù)據(jù)采集器通過電腦以數(shù)字或圖像形式及時顯示力的瞬時值大小或F-t圖像，所以力傳感器也可以測時間(如測單擺周期).其獨特的外形構(gòu)造便于與鐵架臺、導(dǎo)軌等教具配合使用，既可測量拉力，也可測量壓力.

圖1 力傳感器

2 實驗原理

把力傳感器固定在鐵架臺的合適位置，小鐵球通過細線拴在掛鉤上,如圖2.假設(shè)把小鐵球拉開一定的角度，力傳感器可以比較精確地測量小鐵球來回擺動時作用在掛鉤上的力，再通過計算機處理得到掛鉤所受的拉力隨時間的變化圖像，運用圖像進行探究.

圖2 實驗裝置圖

通過對力傳感器采集的F-t圖像的研究，發(fā)現(xiàn)力隨時間按波形變化，有最小值和最大值，其中最小值位置在擺動的最高點

Fmin=mgcosθ

小鐵球在來回擺動過程中只有重力做功.從最高點到最低點重力做功為

WG=mgl(1-cosθ)

把Fmin代入WG表達式，得

WG=mgl-Fminl

最大值位置在擺動的最低點，根據(jù)向心力公式

得

所以結(jié)合力傳感器得到在實驗操作中的最小力和最大力，就可以探究得到重力做功與速度的定量關(guān)系.

3 實驗步驟

(1)如圖3所示，利用鐵架臺固定力傳感器，取一根不可伸長的細線，線長0.5 m,一端連接小鐵球，另一端穿過固定的光滑小圓環(huán)O，并固定在力傳感器的掛鉤上.實驗過程中要注意掛鉤位置豎直固定不變，小球的質(zhì)量不要太大，以防止鐵架臺振動.

圖3 實驗裝置示意圖

(2)打開DIS軟件界面，連接數(shù)據(jù)采集器與計算機.將力傳感器分別插入數(shù)據(jù)采集器的第一通道,點擊“當(dāng)前脫機”按鈕使系統(tǒng)從“當(dāng)前脫機”狀態(tài)轉(zhuǎn)換到“當(dāng)前聯(lián)機”狀態(tài).

(3)將力傳感器靜置在水平桌面上校零.讓小鐵球自由懸掛并處于靜止狀態(tài)，從計算機中得到拉力為0.47 N,即質(zhì)量m=0.048 kg.

(4)讓小鐵球以不同角度(較小的)在豎直平面內(nèi)擺動，采集數(shù)據(jù).筆者逐漸增大擺角,從計算機中得到拉力隨時間的關(guān)系圖像，如圖4所示.

圖4 三次不同擺角在DIS操作界面下原始截圖

4 數(shù)據(jù)處理

對DIS采集的圖像(圖4)分析，可以得到小球在來回擺動中的確呈現(xiàn)力隨時間按波形變化，每幅圖中的最小力和最大力基本恒定，擺角增大，力隨之變化.通過研究小球擺動過程中力的最小值和最大值的關(guān)系轉(zhuǎn)換為做功與速度的值，如表1.

表1 實驗數(shù)據(jù)記錄與處理

按照Excel中的圖表向?qū)е械腦Y散點圖，即可作出W-v2的圖像(圖5).

圖5 功與速度平方的關(guān)系圖

5 探究結(jié)論

通過對DIS數(shù)據(jù)的采集處理和圖5所示圖像分析，v2對應(yīng)于40W，發(fā)現(xiàn)在誤差范圍內(nèi)，重力做功與速度平方成正比.從操作和數(shù)據(jù)處理結(jié)果可以得到,實驗誤差較小，結(jié)果得出方便.實驗有一定的創(chuàng)新性.

6 探究價值

表2 重力做功與動能變化

通過表2可得到最低點動能近似與每次重力做功的大小相等.此項探究為動能定理和機械能守恒定律的學(xué)習(xí)做好鋪墊，使學(xué)生對功能關(guān)系和圓周運動知識的綜合運用有了具體的感性認識，有利于學(xué)生更加深入地掌握功能關(guān)系.