減小“探究動(dòng)能定理”實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差

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