基于弹性势能表达式实验中对弹性材料的研究

高中物理必修二（人教版）第八章第四节内容中，教材安排的是通过理论分析推导弹性势能的表达式.笔者查阅关于该节教学内容的教学方式时，发现有许多教师喜欢采用实验探究的方式来完成该节内容.但是对于在实验过程中采用何种弹性材料却未发现有详细表述，而弹性材料的线性却是该实验能否获得正确结论的关键.因此，笔者将通过实验来探究哪一种弹性材料对于该实验来说是最佳选择，以期给教师和学生提供一些实验借鉴作用.

1 实验的过程和方法

实验材料 约1.5 m长的粗糙木板、小车、棉线、图钉、尺子、长度相同（10 cm）但横截面积不同的弹性材料.

实验原理 让橡皮筋拉伸，橡皮筋的弹性势能转化为小车的动能，动能全部转化为克服摩擦力做功，通过测量小车滑行的距离s来测量其动能，进而得到弹性势能的大小：Ep=Ff×s=12kx2（假设小车在整个运动过程中所受的摩擦力不变），通过比较s与x2的线性关系来研究不同劲度系数的材料对实验的影响.

实验步骤

①准备一个长约1.5 m长的粗糙木板，在木板的一端用图钉固定棉线的一端，棉线的另一端栓上长度相同（10 cm），劲度系数不同的弹性材料，弹性材料的另一端拴在小车上；

②拉动小车，使弹性材料发生形变，形变量从小到大，在此过程中小车因受到弹力和摩擦力的作用会在木板上滑动一段距离然后停下来，记录弹性材料的形变量x和小车滑动的距离s；

③换不同劲度系数的弹性材料多次实验；

④重复实验，取平均值，绘出图标，比较结果，得出结论.

实验原理图：如图1所示.

2 实验数据分析

本实验主要选取市面上容易买到的五种有代表性的材 料做实验数据的分析，分别是

材料1：（市面上称为：机织松紧带）：厚度0.20 cm，长度10 cm，宽度1.60 cm；

材料2：（市面上称为：机织松紧带）：厚度0.20 cm，长度10 cm，宽度1.10 cm；

材料3：（市面上称为：机织松紧带）：厚度0.20 cm，长度10 cm，宽度0.80 cm；

材料4：（市面上称为：乳胶圈）：厚度0.10 cm，长度10 cm，宽度0.50 cm；

材料5：（市面上称为：橡皮筋）：厚度0.10 cm，长度10 cm，宽度0.10 cm.

由实验原理可知，

Ep=Ff×s=12kx2，

所以s=k2Ffx2.

通过excel软件将每组数据拟合成图象，图象中的横坐标表示弹性材料形变量的平方即x2，纵坐标表示小车滑行位移s，所以有y=k2Ffx，由于实验过程中的摩擦力Ff是不变的，所以图象的斜率大小就反应了弹性材料劲度系数的大小，图中R2表示复相关系数，其值越高表示与正比例函数越接近.

（1）材料1的实验数据分析

6）总体实验数据分析

图7为把五种材料拟合到一起的总图，以便于对比分析.由图可知，材料1和材料3数据偏离线性程度较大，主要是由于材料1的劲度系数较大，而材料3的劲度系数不稳定造成的，所以可以排除此两种材料.剩下的三种材料中材料2和材料5的复相关系数是比较接近的，但材料5在劲度系数突变点之前的线性程度要比材料2的好，所以对于这两种材料，选择材料5要更好一些，但要控制它的形变量不要超过9.5 cm.而材料4相比材料5劲度系数更稳定，复相关系数也更高，所以用材料4做此实验探究更为合理.

3 结论

在做探究弹性势能表达式的实验时，选择材料时要选择劲度系数稳定且适中（接近1）的弹性材料.笔者经过选用多种弹性材料进行多次实验，发现厚度0.1 cm，长度10 cm，宽度0.5 cm的乳胶圈（材料4）的劲度系数适中，拟合出的图象基本接近线性，最适合进行本实验的研究.另外，也可以选用厚度0.10 cm，长度10 cm，宽度0.10 cm的橡皮筋（材料5），但是要注意控制橡皮筋的形变量在劲度系数突变点之前，大概在9.5 cm范围内.但对于不同规格的乳胶圈对本实验的影响还有待于进一步的探究.（上接第44页）进行评价才能学习效率.

2.3 老师要把问的机会还给学生

“问题”是促进创新的原动力，课堂提问在教学中具有不可忽视的作用.日本的一些教育家就曾将课堂提问分为“重要的提问”和“徒劳的提问”.“重要的提问”是必须的，因为它能诱发学生的学习欲望，有助于实现教学过程中的各个具体目标，富有启发性，能促使学生积极思维.我们需要减少的是“徒劳的提问”，直至没有.要把更多的时间留给学生，激发学生“多问”.学生通过自主学习，提出问题；对问题进行思考讨论，对问题的解决提出方案，对方案进行评价.教师也要参与进去，适时调控讨论的方向和重点（根据课前的设计方案和目标），要敢于放手，将表演舞台让给学生.

例如在机械能中，以v0=24 m/s的初速度从地面竖直向上抛出一物体，上升的最大高度为H=24 m.设空气阻力大小不变，则上升过程和下降过程中动能和势能相等的高度分别是（以地面为零势能面）

A.等于12 m，等于12 m B.大于12 m，大于12 m

C.小于12 m，大于12 m D.大于12 m，小于12 m

教师讲评时不要急于把自己的作法及思维来告诉学生，而应让学生来分析.实际操作中发现学生有自己的不同的解法和思路：有的学生直接用计算的方法来解决；还发现学生对12 m的位置运用定性分析的方法解决；更让我高兴的是有学生采用了图象的方法，在同一个E-h图中作出Ek-h图和Ep-h图直接通过交点就解决了.所以物理学科中的一题多解，不要仅限于教师自己所认为的最好的方法，要广开言路，让学生自己讲解自己的作法，让其他同学评价，通过一段时间的实验，会发现学生的能力得到了培养，思维比以前更开阔了.

2.4 老师要把动手的机会让给学生

让学生去实践，在实践中去创新.同时也锻炼学生动手实践能力.

这种课堂教学模式虽然还存在一些不足之处，但在提高学生学习热情和兴趣方面起到了巨大的作用，教学效果也较好，按照这样的思路走下去，我相信这种富有生命活力的新课堂教学，一定会提升师生在课堂教学中的生命质量.