江苏省南京市秦淮中学 211100
摘 要:新课程标准注重科学探究，还原实验过程与方法。在探究动能定理规律时,我们通过DIS数字实验实现了变力做功过程中动能定理规律的定量探究。用磁铁间的磁力替代了橡皮筋的弹力做功,通过光电门测初、末速度求动能变化量，高效地完成了实验目的，大大增强了物理实验的可视性，提高了测量的精确度，实验效果较好。
关键词：变力做功 动能定理 DIS实验
一、实验设计背景
为了加强高中生核心素养的培养，《普通高中物理课程标准（2017年版）》加强了物理实验教学，还原物理实验过程与方法，让学生要参与到物理概念和规律认知和建构的过程。 动能定理是高中物理中的重要规律。在普通高中课程标准实验教科书人教版必修②中，动能定理的定量探究仅仅停留在理论阶段，利用牛顿第二定律和匀变速运动的位移速度关系式进行推导，因此，学生对动能定理的理解仅仅局限于对公式的记忆。另外，此理论推导的条件是恒力做功，此结论是否也适用于变力做功的过程呢？学生存在疑惑。为了从功能转化角度中根本理解功能定理，为今后应用动能定理解决实际问题奠定基础，结合学生的学情，在教学过程中，设计了一个利用朗威DIS仪器来实现变力做功过程中的动能定理的实验探究。
二、实验设计过程
1.实验目的。探究物体在变力作用下，合外力所做功与物体动能变化的定量关系。
2.实验装置。
3.实验器材。一个DIS力学轨道、小车、两块磁铁（分别固定在力学传感器和小车上）、一个力传感器（记录两块磁铁间的磁力的大小）、一个位移发射器和一个位移接受器（测量位移大小）、两块挡光板和和一个光电门、一个数据采集器和电脑连接。
4.实验原理。
（1）探究小车在磁场斥力（磁场斥力是变力,随距离增大迅速减小）的作用下，U型挡光板通过光电门两次挡光的过程中动能的变化量和斥力做功相等。
（2）对于变力做功不能直接通过功的表达式求解，可以引导学生回忆本章第五节处理弹簧的弹力做功问题，介绍图像法（如图1所示），让学生进一步理解无限分割、微积分的思想，最终可以通过F-L图像中图线与坐标轴的面积来求此过程中磁力做功。
图1
（3）两次挡光的过程中动能的变化量△Ek= mv22- mv12，小车的质量m先用天平测量，v1和v2即挡光板先后通过光电门的瞬时速度，通过V=近似求得。△x是挡光板的宽度，△t是每次的挡光时间。
5.实验步骤与数据处理。
（1）测量小车的质量m=0.307kg和挡光板的宽度△x=2cm。
（2）为了减少阻力的影响，还需要平衡摩擦力，垫高DIS力学轨道的一端，使小车在没有磁力的作用下恰好能够匀速运动。
（3）打开朗威DIS实验软件，从靠近光电门如图2左图所示位置开始，轻轻地释放小车并点击开始记录，到第二个挡光板通过光电门时如图2右图所示位置停止记录，软件上记录下了F-L图象和两次挡光的过程中动能的变化量△Ek。
（4）在F-L图象中选择两次挡光过程间的区域，通过积分功能计算图象和坐标轴的面积即磁场斥力（变力）所做的功。
6.实验结论。重复多次实验，得到磁场斥力（变力）所做的功W和动能的变化量△Ek的数值。
通过多组实验数据可以看出：本实验相对误差基本上能控制在5%以内，能够达到实验目标的要求，由于采用DIS系统完成，所以完成该实验时间只需要10分钟左右。
三、针对该实验设计的几点思考
该实验中用到三种传感器通力合作，对精准度要求比较高，任何一个传感器测量不准确都会导致实验误差较大。因此，仪器的安装和调试十分重要。位移发射器和位移接受器必须在一条直线上，实验前可以用朗威DIS实验软件6.9版通用软件调零测量其准确度；该实验中的变力是利用了磁铁之间的斥力，两磁铁也必须对准，在一条直线上；测量挡光板先后通过光电门的瞬时速度是通过V=近似求得，挡光板的宽度要尽可能小些会更准确，这里选择是2厘米的挡光板。
物理学是以实验为基础的学科，物理实验在整个物理教学中起着不可替代的作用。物理实验教学在发展学生核心素养方面占有重要地位。在实际的物理教学中，对于一些抽象的物理概念和重要的物理规律的探究，我们将DIS实验引入课堂，师生共同协作，通过实时采集实验数据——定量计算研究——曲线拟合寻找规律——验证规律、测量物理量等，高效地完成了教学目标，大大增强了物理实验的可视性、提高了测量的精确度，取得了很好的教学效果。
论文作者:戴颖昱
论文发表刊物:《教育学》2019年12月总第198期
论文发表时间:2019/11/5
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