浅析一套实验装置的多种用途

于秀安

在高中物理实验中，对于图1的装置大家都不陌生，那么这样的装置到底可以做多少种实验呢？每个实验根据实验目的和要求又有什么不同呢？笔者结合教材和考题对设计此类装置的实验进行总结如下：根据教材顺序此类装置可涉及以下实验《探究匀变速直线运动的规律》 《探究加速度、合外力、质量之间的关系》 《探究合外力做的功与动能之间的关系》 《验证机械能守恒定律》.根据实验目的不同，对实验装置的要求又略有不同，这也经常是实验题中的考点.

实验1：对于《探究匀变速直线运动的规律》实验中，我们需要记录一种匀加速直线运动.只需让小车在砝码盘和砝码的带动下做匀加速直线运动即可，就可以在小车所带动的纸带上记录下匀变速直线运动.对于后面经常提到的平衡摩擦力及让砝码盘和砝码质量远小于小车和车中砝码的质量在本实验中是不需要的.

实验2：《探究加速度、合外力、质量之间的关系》的实验是对本装置的认识要求比较高的实验.本实验的研究对象是小车及车中的砝码，需要探究的公式是F=Ma.质量用天平可以测量，加速度用纸带可以计算，测量小车所受的合外力是本实验的重点和难点.首先、我们要用细线的拉力充当小车所受的合外力，以此，要保证运动的小车在去掉绳的拉力时合外力为零，必须要平衡摩擦力，让重力的分力与摩擦力抵消.装置需改为图2，抬高右端以平衡摩擦力.其次，绳上的拉力在实验时中不宜测量，我们要用砝码盘及盘中砝码的重力来充当，但是，由于整个系统在做匀加速直线运动，砝码盘和盘中砝码的重力并不等于绳的拉力.设小车及车中质量为M，砝码盘及盘中砝码质量为m，根据牛顿第二定律：

T=Ma （1）

mg-T=ma（2）

联立（1）、（2）式即可得到

T=Mmg（M+m）

要想T近似等于mg，只要满足mM即可.因此本实验为保证mg充当小车所受的合外力，需要①平衡摩擦力②满足mM.并要理解这两个要求的目的分别是什么.

实验3：《探究合外力做功和动能之间的关系》实验中除了可以用课本上的实验装置外也可以用上述装置，研究对象同样是小车及车中砝码.由于要去求合外力做的功，只需在第二个实验装置测出合外力的基础上，再测量出小车的位移x即可求出合外力做的功.因此实验室中同样需要①平衡摩擦力②满足mM.

需要探究的关系是mgx=12mv22-12mv2.

需要注意的是，在实验2和实验3某些题目中，在小车上加了力传感器或在绳上连入了弹簧秤来直接测量绳上的拉力，如图3.根据上面的解释，这种情况下，只需要平衡摩擦力即可而不再需要满足mM.

实验4：《验证机械能守恒定律》实验除了可以用自由落体运动来验证外，也可以用本装置来实现.因为本实验研究对象为整个系统，绳上的拉力为内力，不用再考虑是否等于砝码及砝码盘中的重力，也就不需要满足mM.整个系统在运动过程中减少的重力势能为mgx，需要注意的是系统动能的增加量为

12（M+m）v22-12（M+m）v21.

需要验证的关系是

mgx=12（M+m）v22-12（M+m）v21.

综上所述，此装置可以做很多个力学实验，但是不同的实验，对装置有不同的要求和不同的数据处理.要分清这些实验必须要做到，（1）看实验目的（2）针对实验目的需要测量哪些物理量（3）为了保证测量值的准确性对装置有那些要求（4）再根据实验目的得出需要验证的关系式.除此之外，上述实验的木板还可以用带有光电门的气垫导轨来代替，规律同样适用.平时我们要善于观察和总结，就可以在很多看似容易混淆的题目中找到相关规律和联系.