一次函数图象在物理实验中的应用

来源 :中学物理·高中 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sinox2006
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  在中学物理实验中,我们常用一次函数图象来处理实验数据,表达物理规律.相对其他函数图象,一次函数图象更能帮助我们直观明确地得出实验结论,揭示物理规律,从而帮助学生对物理概念和物理规律获得准确的认识.在历年的高考试卷中经常出现应用一次函数图象处理实验数据的实验考题.但在物理实验教学中,笔者发现,学生对一次函数图象的认识存在严重的不足,严重影响实验题的得分.因此,笔者结合平时的教学实践来谈谈关于应用一次函数图象求解实验题的一些教学体会.
  1辨析一次函数图象中物理量之间的函数关系
  指导学生利用一次函数图象求解实验题,首先要引导学生全面有顺序地看懂图象中“轴”、“线”、“斜率”、“点”和“面积”所表示的含义.首先要看横坐标和纵坐标表示的物理量,理解图象的物理意义;再看线段,把握两坐标对应的两个物理量的变化过程;进而看斜率,它不仅反映一个量随另一个量的变化快慢与方向,还能给出一些隐含的物理量的量值.比如,某闭合回路的Φ-t图象的斜率表示感应电动势的大小和正负.再看交点,一是图线与横纵坐标轴的交点,它限制了两个物理量变化的范围,二是在同一坐标系内的两条图线的交点,这个点往往给出了题目的隐含条件.最后看面积,弄明白图线与坐标轴围成的面积表示的物理意义.
  例1某小组在做“用单摆测定重力加速度”实验后,为进一步探究,将单摆的轻质细线改为刚性重杆.通过查资料得知,这样做成的“复摆”做简谐运动的周期T=2πIC mr2mgr,式中IC为由该摆决定的常量,m为摆的质量,g为重力加速度,r为转轴到重心C的距离.如图1,实验时在杆上不同位置打上多个小孔,将其中一个小孔穿在光滑水平轴O上,使杆做简谐运动,测量并记录r和相应的运动周期T;然后将不同位置的孔穿在轴上重复实验,实验数据见表1,并测得摆的质量m=0.50kg.
  点评求解本实验题最关键的是要根据实验数据绘出的是一次函数图象,进而对已知公式进行变式,寻找两个变量之间的线形关系,最后根据图象斜率、截距的物理意义求解物理量.因此,在应用一次函数图象求解物理实验题时,要让学生充分理解“轴”、“线”、“斜率”和“点”所表示的物理含义,从图象中摄取所需要的信息量,才能正确解决实验问题.
  2明确一次函数图象中物理量遵循的物理规律
  课本上的学生实验,在平时的实验教学中就已明确了物理量之间的物理规律.但在题目中以验证性或测量性的考题出现,要求学生通过对数据的分析和处理,重新来验证某些物理规律或测定某些物理量.教师在应用一次函数求解实验题时,要让学生掌握“图与式”的互变,既能根据给出的物理关系式去描绘对应的图象,也能根据实验数据绘出的图象去找出相关物理规律的表达式.因此,教师在实验教学中要不断的把物理概念、物理规律与函数图象相结合,让学生熟悉图象中描述的变量之间到底遵循什么样的物理规律,把函数图象与物理规律有机地结合起来,这样才能避免学生就图象讨论图象.
  点评闭合电路欧姆定律的基本表达式为U=E-Ir,该式中U与I成一次函数的线形关系,其图象纵截距表示电源电动势,直线的斜率绝对值表示内阻.这是我们在“测量电源的电动势与内阻”的实验课上反复强调的内容.但在具体的实验题中,电路结构不同,测量器材不同,使得闭合电路欧姆定律有诸多的变式.但是其本质都是用可测量的两个物理量来表达闭合电路欧姆定律的公式,并将两个物理量之间非线性关系转化成一次函数线形关系,最后应用一次函数图象的斜率和截距来求电源电动势和内阻的大小.可见,明确一次函数图象中物理量所对应的物理规律才是解题的关键.
  3建构一次函数图象中物理量对应的物理情景
  函数图象不仅是将抽象的物理规律形象地表达出来,它也反映了实验过程中物体某些物理状态变化的过程.我们既可以根据函数图象分析物体的状态变化的整体特征,也可以将变化过程中的瞬间定格,对其进行深入研究.因此,在用一次函数求解实验题时,我们要注意“图与物”的互变,将物理实验中研究对象的物理情景与描述这一物理情景变化过程的函数图象相结合.
  例3某实验小组利用弹簧秤和刻度尺,测量滑块在木板上运动的最大速度.实验步骤:
  ①用弹簧秤测量橡皮泥和滑块的总重力,记作G;
  ②将装有橡皮泥的滑块放在水平木板上,通过水平细绳和固定弹簧秤相连,如图6甲所示.在A端向右拉动木板,待弹簧秤示数稳定后,将读数记作F;
  ③改变滑块上橡皮泥的质量,重复步骤①、②;
  实验数据如下表所示:
  1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
  0.59 0.83 0.99 1.22 1.37 1.61
  ④如图乙所示,将木板固定在水平桌面上,滑块置于木板上左端C处,细绳跨过定滑轮分别与滑块和重物P连接,保持滑块静止,测量重物P离地面的高度h;
  ⑤滑块由静止释放后开始运动并最终停在木板上的D点(未与滑轮碰撞),测量C、D间的距离s.
  完成下列作图和填空:
  (1)根据表中数据在给定坐标纸上作出F-G图线.
  (2)由图线求得滑块和木板间的动摩擦因数(保留2位有效数字).
  (3)滑块最大速度的大小(用和重力加速度表示
  解析:(1)在坐标纸上,描出各点,然后用直线将各点连接起来,得到图象,见答案.(2)弹簧称的示数就是物体受到的摩擦力,根据,可知图象的斜率就是动摩擦因数,找特殊点代入可得.(3)P落地后,滑块又前进了的距离才停止运动,在这段时间内,滑块做减速运动,根据,而滑块的加速度,代入数据整理得,最大速度为
  点评:由于这道实验题并非课本上的学生实验,因此,学生并没有现成的物理规律可用.通过对实验数据分析可得,滑块的重力和弹簧的拉力成正比例函数关系.但是,这两者之间并没有物理公式可套用.我们对滑块进行受力分析可得,滑块受绳子给它水平向左的绳拉力和木板给它水平向右的滑动摩擦力作用,处于平衡状态,从而可以根据滑动摩擦力计算公式公式得到的大小.而求滑块的最大速度,则要对滑块的运动过程进行分析,在重物没有落地前,滑块在水平方向上受绳子的拉力和木板的滑动摩擦力作用,做初速度为零的匀加速直线运动,在重物落地后,滑块在水平方向只受木板的滑动摩擦力作用,做匀减速直线运动.可见,建立物理实验对应的物理情景,确定研究对象,对其进行受力分析和运动分析,才能真正理解出题者的意图,从而正确分析和解决实验问题.
  总之,在用一次函数图象求解物理实验题时,教师应该引导学生充分理解一次函数图象的物理意义,明确测量量所满足的物理规律,建构函数图象所对应的物理情景,从而提高学生应用一次函数图象分析和处理物理实验题的解题能力.
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