動能DIS探究實驗的解析

1、動能DIS探究實驗的解析 二期課改中，教材更注重學(xué)生的探究和自主性學(xué)習(xí)的培養(yǎng)，教材中的DIS實驗也為這種培養(yǎng)提供了很好的平臺。在DIS實驗過程中，可以鍛煉學(xué)生的分析圖像，探究問題能力。以下便是一個關(guān)于動能探究的DIS實驗的問題和解析。光電門小車運動軌道光電門摩擦塊運動傳感器圖1實驗設(shè)計如圖1，在實驗中， 由于實驗設(shè)計的緣故，小車在軌道上摩擦基本可以忽略不計，光電門記錄的是小車從傾斜軌道上滑下時的速度（即在水平軌道上沒有碰到摩擦塊時的速度），運動傳感器記錄的是摩擦塊的位移情況，還有摩擦塊在運動過程中的速度變化情況。問題一：在這個實驗中主要探究的是動能與速度，質(zhì)量的關(guān)系。但在實驗中，用研究摩擦塊在

2、小車的推動下的位移和小車的速度、質(zhì)量之間的關(guān)系來代替，可以嗎？為什么？解析：可以，一個物體能對外界做功，我們說這個物體具有能，在實驗中，我們要研究小車的動能，其實就是研究小車對摩擦塊的做功情況。小車的動能就等于摩擦塊克服阻力做的功即Ek=fs，在實驗中，摩擦塊與軌道的摩擦力始終不變，因此，動能的大小正比于摩擦塊的位移，因此只要研究摩擦塊在小車的推動下位移和小車的速度、質(zhì)量的關(guān)系就可以知道，小車動能與其速度、質(zhì)量的關(guān)系。 當(dāng)兩個物理量不能直接進行研究時，找個中間物理量是常用的一種方法，只要找到這兩個物理量與這個中間物理量之間的關(guān)系，就能確定它們之間的關(guān)系。 圖2S10實驗一：在實驗中，控制小車的

3、質(zhì)量不變，讓小車從傾斜的軌道上滑下，并推動摩擦塊前進，運動傳感器記錄摩擦塊運動過程中的位移，速度隨時間的關(guān)系，如圖2 。 問題二：在這個實驗中，通過這么一次下滑實驗，能不能研究小車速度和摩擦塊的位移之間的關(guān)系？解析：能，因為在圖2中，我們可以把每個時刻當(dāng)作是一個初始的撞擊時刻， 并能找出相應(yīng)的，在這個速度下，摩擦塊的位移，如：t=0.10時刻下，小車以V10的速度推動摩擦塊可以使摩擦塊前進的位移是S10,如圖。依此類推，這樣，我們就可以在圖中得到質(zhì)量不變的情況下，小車不同速度對應(yīng)的摩擦塊的位移，再將圖像轉(zhuǎn)化為摩擦塊位移和小車速度的圖像，從圖像中就可以分析兩者的關(guān)系了。圖3圖4圖5 問題三：在摩

4、擦塊位移和小車速度圖像中，用什么方法可以分析探究出它們之間的關(guān)系， 從而得到什么實驗結(jié)論？解析：因為在這個實驗中研究的兩個物理量之間的關(guān)系并不是線性關(guān)系，因此很難直接看出它們規(guī)律，類似這種情況下，我們可以分別作出s-v,s-v2,s-v3等關(guān)系圖，如圖3、圖4、圖5，再從中探究其關(guān)系。從s-v圖像（圖3）中，我們可以看到它基本上是一個二次函數(shù)（用二次函數(shù)擬和的情況下，它的誤差很?。?，在s-v2我們可以看到它的正比關(guān)系，在s-v3圖像是一根曲線，因此，在圖3、4、5中，我們不難發(fā)現(xiàn)s-v2是一個正比關(guān)系，即s正比于v2。因此我們可以得到，物體的動能與速度的平方成正比。當(dāng)然我們也可以只做s-v圖像

5、，然后用不同的函數(shù)圖像進行擬和，通過各擬和的誤差來判斷它到底是一個什么關(guān)系，結(jié)果同樣可以發(fā)現(xiàn)用正比例函數(shù)擬和的誤差最小，從而也可以得到上述的結(jié)論，這種方法比上面的更簡單.在研究類似于這種不是線性關(guān)系的物理量時，上述兩種方法是比較常用的，如在研究勻速圓周運動向心力F與線速度v之間的關(guān)系的時候，我們也可以用這種方法來進行探究。實驗二：在實驗中，控制小車的速度不變，改變小車的質(zhì)量來研究小車動能與質(zhì)量的關(guān)系。問題四：在實驗中如何控制小車的速度，在改變小車的質(zhì)量的時候會不會影響到小車的速度。解析：在實驗中，由于小車與軌道基本沒有摩擦，所以小車碰撞摩擦塊的速度可以通過機械能守恒得到。，可以看到，小車的速度

6、與在斜面的軌道上的高度有關(guān)，與小車的質(zhì)量沒有關(guān)系,因此改變小車的質(zhì)量不會影響到速度。只要控制好小車每次下滑的高度，就可以保持小車的速度不變。 實驗中可以通過光電門看到每次下滑的速度是不是相同（因為畢竟不是絕對光滑），如果誤差太大則可以及時剔出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，在下次實驗中稍作調(diào)準(zhǔn)。通過實驗，在相同速度，不同的質(zhì)量下，小車的位移和時間關(guān)系如圖6。 問題五：根據(jù)圖6中的圖像和數(shù)據(jù)，哪部分表示了小車的位移。解析：在圖6中，每根線表示了每次實驗中小車的移位隨時間的變化，最后平的一部分表示小車已經(jīng)靜止，因此，小車的位移便是從出發(fā)到結(jié)束的縱坐標(biāo)之差。 問題六：通過實驗結(jié)果，怎么能看出小車速度與摩擦塊位移之間的關(guān)系？是一個什么關(guān)系？解析：根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，將圖像轉(zhuǎn)化為位移和質(zhì)量的圖像，如圖7，再用各種函數(shù)圖像進行反復(fù)擬和，通過誤差分析，發(fā)現(xiàn)正比例函數(shù)的擬和誤差最小，從而可以得出，摩擦塊的位移和小車的質(zhì)量成正比，即小車的動能與質(zhì)量成正比。圖7圖6綜合上述的兩個實驗即便可以得到