动能大小比较.doc

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1、动能大小的比较►实验器材图62动能大小的比较实验装置图朗威®DISLab数据采集器、光电门传感器、DISLab力学轨道、轨道小车、挡光片、配重片、摩擦块、计算机。►实验装置如图62。►实验操作（1）将轨道调平，把挡光片固定在轨道小车上。测量出小车（连同挡光片）的质量m及挡光片的宽度Δs。（2）将光电门传感器固定在轨道上，连接到数据采集器的第一通道。（3）遵照以下原则放置摩擦块：当挡光片的后沿刚挡光刚通过光电门传感器（透光孔）时，摩擦块即与滑块相碰。选择s与m、v的关系式，以确定横坐标，从而确定基于实验数据的计算结果对应的数据点在坐标

2、系内的排列方式图63动能大小的比较实验界面图（4）点击教材专用软件主界面上的实验条目“动能大小的比较”，打开该软件（图63）。（5）将小车（连同挡光片）的质量m及挡光片的宽度Δs填入软件窗口下方对应的表格中。图64改变滑块质量或速度得到数据（6）点击“开始记录”，推动小车沿轨道运动。当小车经过光电门传感器时，即测得小车的速度。与此同时，滑块推动摩擦块运动。（7）摩擦块停止运动后，测量出摩擦块的位移s，将数据填入软件窗口下方对应的表格中。（8）改变小车的质量（增加配重片）或运动速度（改变外力），重复实验，得到多组数据，如图64。图65

3、选定“m2v2”图66选定“mv”（9）点击“选择s与m、v的关系”窗口，弹出的下拉菜单中包含s与m、v的八个关系式。任选其一，点击“绘图”，即得出位移s与该关系式对应的数据点分布图。图65～图67分别为选择不同的关系式得到的数据点分布图。（10）观察和比较上述数据点分布图的特征，可见只有选择了“mv2”之后，对应的数据点才具有明显的线性特征（图67）。说明动能大小与m、v的关系可表达为“E∝mv2”。图67选定“mv2”（11）讨论本次实验应用的方法，归纳“数据-图线（数据点分布图）”之间的关系及形成上述推断的依据。实验说明：物体

4、的动能作为一个复合量，是不能被直接测量的。但由于动能的大小与物体的质量m及速度v有关，所以物体动能的大小可以用对外所做的功的多少来度量。测量本实验中物体（图62中的滑块）推动摩擦块移动的距离s，可以得到物体克服摩擦力所做的功，进而度量出物体的动能（如果摩擦力不变，克服摩擦力所做的功与推动滑块移动的距离成正比）。这种“等效替代”的研究方法，在物理学领域被广泛应用。掌握这种研究方法，是对学生思维能力的一大提升。DISLab基础型教材专用软件所设置的“动能大小的比较”实验中没有提供现成的公式，而是提供了若干公式选项，诸如“mv”、“m2v

5、2”、“m2v”等，让学生围绕怎样才能描述动能的大小这样一个“目的”去选择一个公式，从而构造了一种纯粹的探究环境。与为数甚多的验证性实验相比，该实验虽然有可能给学生带来一定程度的困难，但也并非没有规律可循。“动能大小与克服摩擦力所做的功成正比”便是最重要的研究突破口。首先，要理解“正比”的概念，从而掌握正比关系的图像特征，即数据点呈线性排列，且该直线是过原点的（速度为零的时候，动能肯定为零）。其次，要理解该实验中坐标系的设定。以往描绘实验图线的时候，一般将纵坐标设置为物理量值，将横坐标设为时间t。所以学生们对“物理量-时间”图线是较

6、为熟悉的。但本实验中，纵坐标为摩擦块移动的距离s，而横坐标却并非时间，也非一个单一的物理量，而是一个由公式计算得出的复合量。决定该复合量的公式由软件界面（图63）中的下拉菜单提供了八个选项（事实上有无限多种可能的组合），本身并不确定。最为关键的，是要观察由八个选项决定的数据点排列结果，选择其中最接近线性的数据点排列方式，由此倒推出表述动能大小的关系式。图65、图66均为选定其中一个公式后所获得的数据点的排列结果。观察可见，上述排列均不具备线性特征。只有当选择“mv2”时，才获得了如图67所示的数据点排列结果，因此可推断出动能大小与m

7、、v的关系式为“E=kmv2”（其中k为系数）。得出实验结论后，还可以引导学生进一步审视被排除的公式选项。其中“m+v”、“m2+v2”等公式选项违背了“不同物理量不能相加减”这一基本原则，不具备物理意义，应该被首先排除。“动能大小的比较”实验所导入的研究方法，既包含《上海市中学物理课程标准》所要求的“分析、综合、推理、判断等逻辑思维方法”，同时也涉及“直觉、假说和反馈控制等方法”，并且通过促进学生的“猜想和建模”，使之具备了“初步运用归纳演绎方法和数学方法”解决物理问题的能力，是改变学生学习方式的典型案例。