减小“探究动能定理”实验地系统误差.doc

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1、减小“探究动能定理”实验的系统误差纪希弟福建省厦门第一中学福建厦门，361003摘要：物理是一门实验科学，培养学生动手实验能力是高中课程一项重要教学目标，《课程标准》和《考试说明》中也明确指出“实验能力”是高考要考查的五个方面能力之一。《考试说明》还明确提出“要求认识误差问题在实验中的重要性，了解误差的概念，知道系统误差和偶然误差；能在某些实验中分析误差的主要来源；……”。本文介绍减小“探究动能定理”实验的系统误差的几种方案，不涉及探讨这些方案的优劣。关键词：实验能力系统误差合力功动能增量《普通高中物理新课程标准》的课程目标明确指出“学习

2、科学探究方法，发展自主学习能力，养成良好的思维习惯，能运用物理知识和科学探究方法解决一些问题……”。《考试说明》中物理科考查能力有五个方面，其中实验能力要求“……能发现问题，提出问题，并制定解决方案；能运用已学过的物理理论、实验方法和实验仪器去处理问题，包括简单的设计性实验。”司南版高中物理必修2教材第24页“实验与探究”中的“恒力做功与动能改变的关系”实验，是学生学习动能定理之前必做的一个实验，也是《考试说明》明确规定必须掌握实验之一。该实验非常适合让学生动手去探究，而且省市质检、高考命中率极高，命题者常会从实验操作过程、实验误差分析角

3、度入手考查学生是否真正动手实验，以及实验过程是否真正去体会去思考，也是考查实验能力的好素材。1“探究动能定理”实验基本原理与“探究加速度与力、质量的关系”实验原理相似，调整长木板没有定滑轮的一端，直到小车（未挂上沙和沙桶，但已连接纸带且穿过打点计时器的限位孔）自身重力的下滑分力与阻力平衡为止。然后挂上沙和沙桶（细线与长木板平行），小车所受外力的合力就是细线对滑块的拉力。本实验需要探究的是细线拉力（滑块的合力）所做的功与小车动能增量进行比较，实验困难之处就是如何测得细线的拉力，教材处理方法妙在满足“沙和沙桶的总质量m远小于小车质量M”的条件

4、下，细线的拉力T近似等于“沙和沙桶的总重力mg”（分别对小车、沙和沙桶受力分析，根据牛顿第二定律列方程求出细线拉力，由上式分析得当时，），而且相差越显著近似程度就越高，实验的效果就越好。水平实验台滑轮小沙桶滑块细线打点计时器纸带长木板1,3,5【例1】某探究学习小组的同学欲以右图装置中的滑块为对象验证“动能定理”，他们在实验室组装了一套如图所示的装置，另外他们还找到了打点计时器所用的学生电源、导线、复写纸、纸带、滑块、细沙．当滑块连接上纸带，用细线通过滑轮挂上空的小沙桶时，释放小桶，滑块处于静止状态．若你是小组中的一位成员，要完成该项实验

5、，则：（1）你认为还需要的实验器材有．（2）实验时为了保证滑块受到的合力与沙和沙桶的总重力大小基本相等，沙和沙桶的总质量应满足的实验条件是，实验时首先要做的步骤是．（3）在（2）的基础上，某同学用天平称出滑块的质量M．往沙桶中装入适量的细沙，用天平称出此时沙和沙桶的总质量m．让沙桶带动滑块加速运动，用打点计时器记录其运动情况，在打点计时器打出的纸带上取两点，测出这两点的间距L和这两点的速度大小v1与v2（v1＜v2）．则对滑块本实验最终要验证的数学表达式为（用题中的字母表示）．【分析】虽学生知道要平衡摩擦，但回答还需要器材时常漏“小木块（

6、垫板）”；实验条件并不是很清晰，常写成“滑块质量远小于沙和沙桶的总质量”；同样常把验证数学表达式写成：（等式右边质量m应更改为M），实际原因是学生对本实验原理理解不透造成的。2“探究动能定理”实验的系统误差教材处理方法存在系统误差：无论沙和沙桶总质量m比小车质量M小得再多，小车所受外力的合力（即为细线拉力）一定小于沙和沙桶的总重力mg，也就一定有。若m远小于M时，才成立。3减小“探究动能定理”实验的系统误差3.1沙和沙桶、小车组成的系统作为研究对象若把沙和沙桶、小车组成的系统作为研究对象，不必满足“沙和沙桶的总质量m远小于小车质量M”的条

7、件，探究恒力功与系统动能改变的关系即可，也就是说是真正相等。3.2直接用测力计测出小车受细线的拉力若把细线一端连接在小车上，另一端通过定滑轮和动滑轮后与弹簧测力计相连，注意动滑轮两侧细线要保持竖直平行，如右图所示。这样也不必满足“沙和沙桶的总质量m远小于小车质量M”的条件，小车的合力（细线的拉力）直接通过测力计读出，探究恒力功与小车动能改变的关系，也就是说是真正相等。【例2】①该同学在一条比较理想的纸带上，从点迹清楚的某点开始记为O点，顺次选取5个点，分别测量这5个点到O之间的距离，并计算出它们与O点之间的速度平方差△v2（△v2=v2-

8、v02）填入下表：以△v2为纵坐标，以s为横坐标在方格纸中作出△v2-s图象。若测出小车质量为0.2kg，结合图象可求得小车所受合外力的大小为N。②若该同学通过计算发现小车所受合外力小于测力计