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减小“探究动能定理”实验的系统误差

作者：纪希弟

来源：《中学物理·高中》2012年第03期

《普通高中物理新课程标准》的课程目标明确指出“学习科学探究方法，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

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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T=[SX(]M[]M+m[SX)]mg，由上式分 析得当

时，T≈mg)，而且相差越显著近似程度就越高，实验的效果就

越好。

例1 某探究学习小组的同学欲以图1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，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[CD#3]。

(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

与

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＜

。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(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T=[SX(]M[]M+m[SX)]mg)一定小于沙和沙桶的总重力mg，也就一定有

mgs>Ts=[SX(]1[ 若m远小于M时，

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”的条件，探究恒力功W=mgs与系统动能改变

的关系即可，也就是说

-是真正相等。

--

才成立。

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，如图2所示。这样也不必满足“沙和沙桶的总质量m远小于