由一个普通装置所想到的力学实验



由一个普通装置所想到的力学实验

◇山东 闫丽军1赵国霞2

在力学实验中我们经常会见到如图1所示的装置:带滑轮的木板、小车、钩码、打点计时器、细线、纸带．实验仪器很简单，利用这个装置我们可以完成什么实验呢?

图1

高中物理《考试说明》中确定的力学实验有研究匀变速直线运动、探究弹力和弹簧伸长的关系、验证力的平行四边形定则、验证牛顿运动定律、探究动能定理、验证机械能守恒定律．我们可以完成研究匀变速直线运动、探究加速度与力的关系、探究功与速度变化的关系、验证机械能守恒定律等4个主要力学实验．

实验1研究匀变速直线运动主要是对纸带的处理,需应用匀变速直线运动的2个重要的推论:

1) 做匀变速直线运动的物体在某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度．

2) 做匀变速直线运动的物体在连续相等时间内位移之差为恒量，即Δx=at2．

图2

某同学利用图2所示的实验装置,探究物块在水平桌面上的运动规律．物块在重物的牵引下开始运动,重物落地后,物块再运动一段距离停在桌面上(尚未到达滑轮处)．从纸带上便于测量的点开始,每5个点取1个计数点,相邻计数点间的距离如图3所示．打点计时器电源的频率为50 Hz．

图3

(1) 通过分析纸带数据,可判断物块在相邻计数点6和7之间某时刻开始减速．(有学生误认为7和8之间,这是对Δx=at2不能正确应用)

(2) 计数点5对应的速度大小为1.00 m·s-1,计数点6对应的速度大小为1.20 m·s-1(保留3位有效数字)．(在计算计数点6的速度时,学生容易错误地用通过4和6之间的平均速度来求)

(3) 物块减速运动过程中加速度的大小为a=2.00m·s-2,若用a/g来计算物块与桌面间的动摩擦因数(g为重力加速度),则计算结果比动摩擦因数的真实值偏大(填“偏大”或“偏小”).

实验2探究加速度与力的关系的核心问题是:

1) 细线的拉力为合力,为此我们要首先平衡摩擦力．

2) 如何测量拉力?在人教版《必修1》中所提供的实验是让钩码的重力充当拉力．这种情况下需要小车和钩码的加速度比较小(即钩码的质量m要远远小于小车的质量m0)．这个实验经常考查,是高频考点．需要指出的是在实验的实际操作过程中平衡摩擦力并不容易,加速度比较大时误差也比较大．在现有装置下我们可以做如下改变,装置如图4所示.

图4

图5

利用本装置,结合牛顿运动定律.我们可以计算滑块与木板间的动摩擦因数μ.实验步骤如下(用光电门取代打点计时器和纸带,如图6所示):

(1) 测出滑块质量m0和所挂钩码的质量m;测出长木板上B点到光电门的距离x;测出光电门的宽度d.

图6

(2) 将滑块置于B处,用绕过定滑轮的细线将钩码与滑块相连.

(3) 将滑块和钩码由静止释放,滑块做加速运动.记录遮光片通过光电门的时间t.

实验4在验证机械能守恒定律的实验中,我们主要验证钩码和小车组成的系统机械能守恒．这里机械能守恒的表述为:

学生在这里往往选择小车作为研究对象,这是错误的．也可以让学生思考在本实验中是否需要m≪m0,这个问题分析清楚,学生对实验的理解将更加透彻．由于在实验中钩码、小车会受到摩擦阻力、空气阻力,系统减少的重力势能将会大于增加的动能,这属于系统误差．

力学创新实验是高考的热点内容,以分组或演示实验为背景,考查对实验方法的领悟情况.灵活运用学过的实验方法设计新的实验是高考实验题的新趋势．《考试说明》要求考生掌握常规实验的数据处理方法,能将课本中分组实验和演示实验的实验原理、实验方法迁移到新的背景中,深刻理解物理概念和规律,并能灵活运用,要求考生有较强的创新能力．现在我们面临这样一种窘境:我们不是在做实验,而是在讲实验、练实验．笔者认为从高一新课学习开始,教师就应尽一切可能引导学生做实验,能做分组实验的不做演示实验．只有学生亲自动手探索发现问题,才能真正理解实验,才能创新实验．尤其在高三复习中,一些实验一定要抽出时间集中做一下．