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精品文檔-下載后可編輯減小“探究動(dòng)能定理”實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差《普通高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)》的課程目標(biāo)明確指出“學(xué)習(xí)科學(xué)探究方法,發(fā)展自主學(xué)習(xí)能力
,養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣,能運(yùn)用物理知識(shí)和科學(xué)探究方法解決一些問(wèn)題……”。《考試說(shuō)明
》中物理科考查能力有五個(gè)方面,其中實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ蟆啊馨l(fā)現(xiàn)問(wèn)題,提出問(wèn)題,并制定
解決方案;能運(yùn)用已學(xué)過(guò)的物理理論、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)儀器去處理問(wèn)題,包括簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)性
實(shí)驗(yàn)?!?/p>
司南版高中物理必修2教材第24頁(yè)“實(shí)驗(yàn)與探究”中的“恒力做功與動(dòng)能改變的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)
,是
學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)能定理之前必做的一個(gè)實(shí)驗(yàn),也是《考試說(shuō)明》明確規(guī)定必須掌握實(shí)驗(yàn)之一。該
實(shí)驗(yàn)非常適合讓學(xué)生動(dòng)手去探究,而且省市質(zhì)檢、高考命中率極高,命題者常會(huì)從實(shí)驗(yàn)操作
過(guò)程、實(shí)驗(yàn)誤差分析角度入手考查學(xué)生是否真正動(dòng)手實(shí)驗(yàn),以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程是否真正去體會(huì)去
思考,也是考查實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ暮盟夭摹?/p>
1“探究動(dòng)能定理”實(shí)驗(yàn)基本原理
與“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)原理相似,調(diào)整長(zhǎng)木板沒(méi)有定滑輪的一端,直到小
車(未掛上沙和沙桶,但已連接紙帶且穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔)自身重力的下滑分力與阻力
平衡為止。然后掛上沙和沙桶(細(xì)線與長(zhǎng)木板平行),小車所受外力的合力就是細(xì)線對(duì)滑塊
的拉力。本實(shí)驗(yàn)需要探究的是細(xì)線拉力(滑塊的合力)所做的功與小車動(dòng)能增量進(jìn)行比較,
實(shí)驗(yàn)困難之處就是如何測(cè)得細(xì)線的拉力,教材處理方法妙在滿足“沙和沙桶的總質(zhì)量m遠(yuǎn)小
于小車質(zhì)量M”的條件下,細(xì)線的拉力T近似等于“沙和沙桶的總重力mg”(分別對(duì)小車、沙
和沙桶受力分析,根據(jù)牛頓第二定律列方程求出細(xì)線拉力T=[SX(]M[]M+m[SX)]mg,由上式分
析得當(dāng)mM時(shí),T≈mg),而且相差越顯著近似程度就越高,實(shí)驗(yàn)的效果就越好。
例1某探究學(xué)習(xí)小組的同學(xué)欲以圖1裝置中的滑塊為對(duì)象驗(yàn)證“動(dòng)能定理
”,他們?cè)趯?shí)驗(yàn)
室組裝了一套如圖所示的裝置,另外他們還找到了打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用的學(xué)生電源、導(dǎo)線、復(fù)寫(xiě)
紙、紙帶、滑塊、細(xì)沙。當(dāng)滑塊連接上紙帶,用細(xì)線通過(guò)滑輪掛上空的小沙桶時(shí),釋放小桶
,滑塊處于靜止?fàn)顟B(tài)。若你是小組中的一位成員,要完成該項(xiàng)實(shí)驗(yàn),則:
(1)你認(rèn)為還需要的實(shí)驗(yàn)器材有
(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)為了保證滑塊受到的合力與沙和沙桶的總重力大小基本相等,沙和沙桶的總質(zhì)量
應(yīng)滿足的實(shí)驗(yàn)條件是,實(shí)驗(yàn)時(shí)首先要做的步驟是[CD#3]。
(3)在(2)的基礎(chǔ)上,某同學(xué)用天平稱出滑塊的質(zhì)量M。往沙桶中裝入適量的細(xì)沙,用天
平稱出此時(shí)沙和沙桶的總質(zhì)量m。讓沙桶帶動(dòng)滑塊加速運(yùn)動(dòng),用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄其運(yùn)動(dòng)情況
,在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶上取兩點(diǎn),測(cè)出這兩點(diǎn)的間距L和這兩點(diǎn)的速度大小v1與v2(
v1<v2)。則對(duì)滑塊本實(shí)驗(yàn)最終要驗(yàn)證的數(shù)學(xué)表達(dá)式為(用題中的字母表示)。
分析雖學(xué)生知道要平衡摩擦,但回答還需要器材時(shí)常漏“小木塊(墊板)”
;實(shí)驗(yàn)條件并不是很清晰,常寫(xiě)成“滑塊質(zhì)量遠(yuǎn)小于沙和沙桶的總質(zhì)量”;同樣常把驗(yàn)證數(shù)
學(xué)表達(dá)式寫(xiě)成:mgs=[SX(]1[]2[SX)]mv22-[SX(]1[]2[SX)]mv21(等式右邊質(zhì)量m應(yīng)
更改為M),實(shí)際原因是學(xué)生對(duì)本實(shí)驗(yàn)原理理解不透造成的。
2“探究動(dòng)能定理”實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差
教材處理方法存在系統(tǒng)誤差:無(wú)論沙和沙桶總質(zhì)量m比小車質(zhì)量M小得再多,小車所受外力的
合力(即為細(xì)線拉力T=[SX(]M[]M+m[SX)]mg)一定小于沙和沙桶的總重力mg,也就一定有
mgs>Ts=[SX(]1[]2[SX)]Mv22-[SX(]1[]2[SX)]Mv21.
若m遠(yuǎn)小于M時(shí),mgs≈=[SX(]1[]2[SX)]Mv22-[SX(]1[]2[SX)]Mv21才成立。
3減小“探究動(dòng)能定理”實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差
3.1沙和沙桶、小車組成的系統(tǒng)作為研究對(duì)象
若把沙和沙桶、小車組成的系統(tǒng)作為研究對(duì)象,不必滿足“沙和沙桶的總質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車
質(zhì)量M”的條件,探究恒力功W=mgs與系統(tǒng)動(dòng)能改變
ΔEk=[SX(]1[]2[SX)](m+M)v22-[SX(]1[]2[SX)](m+M)v21
的關(guān)系即可,也就是說(shuō)W=ΔEk是真正相等。
3.2直接用測(cè)力計(jì)測(cè)出小車受細(xì)線的拉力
若把細(xì)線一端連接在小車上,另一端通過(guò)定滑輪和動(dòng)滑輪后與彈簧測(cè)力計(jì)相連,注意動(dòng)
滑輪兩側(cè)細(xì)線要保持豎直平行,如圖2所示。這樣也不必滿足“沙和沙桶的總質(zhì)量m遠(yuǎn)小于
小車質(zhì)量M”的條件,小車的合力(細(xì)線的拉力)直接通過(guò)測(cè)力計(jì)讀出,探究恒力功W=Ts與小
車動(dòng)能改變?chǔ)k=[SX(]1[]2[SX)]Mv22-[SX(]1[]2[SX)]Mv21
的關(guān)系,也就是說(shuō)W=ΔEk是真正相等。
例2①該同學(xué)按圖2實(shí)驗(yàn)裝置在一條比較理想的紙帶上,從點(diǎn)跡清楚的某點(diǎn)
開(kāi)始記為O點(diǎn),順次選取5個(gè)點(diǎn),分別測(cè)量這5個(gè)點(diǎn)到O之間的距離,并計(jì)算出它們與O點(diǎn)之間
的速度平方差Δv2(Δv2=v2-v20)填入下表1:
表1
點(diǎn)跡s/cm[]Δv2/m2?s-2
O[]/[]/
[BH]1[]1.60[]0。04
[BH]2[]3.60[]0。09
[BH]3[]6。00[]0。15
[BH]4[]7。00[]0。18
[BH]5[]9。20[]0。23
以Δv2為縱坐標(biāo),以s為橫坐標(biāo)在方格紙中作出Δv2-s圖象(圖3)。若測(cè)出小車質(zhì)量
為0。2kg,結(jié)合圖象可求得小車所受合外力的大小為N。
②若該同學(xué)通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)小車所受合外力小于測(cè)力計(jì)讀數(shù),明顯超出實(shí)驗(yàn)誤差的正常范圍。
你認(rèn)為主要原因是,實(shí)驗(yàn)操作中改進(jìn)的措施是[CD#3]。
分析學(xué)生對(duì)本實(shí)驗(yàn)題圖沒(méi)有透徹理解,無(wú)法利用Δv2-s圖象中的斜率(k=
2a)求出小車的加速度,進(jìn)而求出小車的合力;實(shí)驗(yàn)誤差的主要原因就是沒(méi)有平衡小車所受
到的摩擦力,測(cè)力計(jì)讀數(shù)是細(xì)線拉力并不是小車的合力,學(xué)生受教材影響回答:沒(méi)有滿足“
沙和沙桶的總質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量M”。
3.3先掛上沙和沙桶再調(diào)木板使系統(tǒng)平衡
把裝有定滑輪的一端墊高,長(zhǎng)木板構(gòu)成一斜面,連接好打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(紙帶也連上),掛
上沙和沙桶(或鉤碼),調(diào)整墊塊位置,直到小車能沿斜面勻速下滑(沙和沙桶勻速上升),如
圖4
所示。然后撤去沙和沙桶,重新實(shí)驗(yàn),則小車沿斜面加速下滑,此時(shí)小車的合力F等于平衡時(shí)
沙和沙桶重力mg的大小,即F=mg,這樣也不必滿足“沙和沙桶的總質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量M”
的條件。探究恒力功W=mgs與小車動(dòng)能改變?chǔ)k=[SX(]1[]2[SX)]Mv22-[SX(]1[]2
[SX)]Mv21的關(guān)系,也就是說(shuō)W=ΔEk是真正相等。
例3測(cè)量滑塊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受的合外力,是“探究動(dòng)能定理”實(shí)驗(yàn)中要
解決的一個(gè)重要問(wèn)題。為此,某同學(xué)設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)方案:
A。用墊塊將帶有定滑輪的長(zhǎng)木板一端適當(dāng)墊起,用細(xì)繩通過(guò)滑輪掛上鉤碼,如圖4所示
。調(diào)整斜面的傾角,直至輕推滑塊后滑塊沿斜面向下做勻速運(yùn)動(dòng);
B。保持斜面的傾角不變,取下細(xì)繩和鉤碼,讓滑塊沿斜面向下做勻加速運(yùn)動(dòng)。
上述實(shí)驗(yàn)方案中:
①滑塊沿長(zhǎng)木板斜面向下做勻速直線運(yùn)動(dòng),則打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上所打出點(diǎn)的分布應(yīng)該是
。
②滑塊在加速下滑的過(guò)程中所受的合外力大小鉤碼的重力大小(選填“大于”、“
等于”或“小于”)。
③若在取下細(xì)繩和鉤碼時(shí),操作不慎使斜面的傾角變大了,而又未重新調(diào)整,繼續(xù)實(shí)驗(yàn),
這樣對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響將是:滑塊在加速下滑的過(guò)程中,若以鉤碼的重力大小作為合外
力的大小,則合外力對(duì)滑塊所做的功滑塊動(dòng)能的改變(選填“大于”、“等于”或
“小于”)。
分析學(xué)生對(duì)本實(shí)驗(yàn)方案不理解,雖也在第②題中填入“等于”,后經(jīng)了解
,學(xué)生受教材影響,誤認(rèn)為鉤碼的質(zhì)量也是滿足遠(yuǎn)小于滑塊的質(zhì)量的條件,因而有滑塊合外
力大小近似等于鉤碼的重力大小。
上述三個(gè)方案實(shí)驗(yàn)過(guò)程均不需要考慮滿足“沙和沙桶的總
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