实验原理———创新型实验问题的根源

■山东省青岛市青岛实验学校 柴晓丽

实验原理是实验的根源,深刻理解并熟练掌握实验原理是制定实验方法、选定实验器材、确定实验步骤、进行数据处理、得出实验结论、实施拓展和迁移等一系列问题的前提。同学们在遇到创新型实验问题时需要先利用题目条件和物理规律明确实验原理,再从实验原理出发逐步解决相关问题。下面以一道“验证机械能守恒定律”的创新型实验题为例,展示实验原理的重要作用,为同学们提供参考。

例题如图1所示,一根不可伸长的轻绳跨过光滑定滑轮,两端分别拴接物体A和B,物体B上有一遮光片,光电门1、2和毫米刻度尺固定在铁架台上。将物体A和B同时由静止释放,利用必要的测量数据进行计算,可以完成“验证机械能守恒定律”实验。

图1

(1)利用该实验装置验证机械能守恒定律,需要以____(选填“物体A”“物体B”或“物体A和B”)为研究对象。

(2)已知重力加速度为g,要想验证机械能守恒定律,还需测量的物理量有____。

A.物体A和B(含遮光片)的质量

B.遮光片的宽度d

C.光电门1、2间的距离h

D.物体B通过光电门1、2 所用的时间t1、t2

E.物体A下降的高度或物体B上升的高度

(3)若满足表达式____(用(2)问需要测量的物理量表示),则可验证机械能守恒定律。

(4)实验结果显示,重力势能的减少量总是略大于动能的增加量,出现这种现象的原因是_____。

分析：“验证机械能守恒定律”的实验原理是研究对象的动能和重力势能在相互转化的过程中的总量保持不变,即满足表达式ΔEk=ΔEp。教材中利用打点计时器研究单个物体在自由下落过程中机械能守恒的实验装置如图2所示。若用表达式验证,则需利用纸带上的起始点和第n点测出其高度差hn,以及物体的瞬时速度vn,在实验误差允许的条件下,表达式成立,即可验证机械能守恒定律;若用表达式验证,则需任取纸带上的A、B两点测出其高度差hAB,以及物体在A、B两点的瞬时速度,在实验误差允许的条件下,表达式成立,即可验证机械能守恒定律;若用图像法验证,则需测量纸带上的起始点到其余各点的距离h,并计算物体到达各点时的速度的平方v2,以为纵轴,以h为横轴,根据实验数据绘制出图像,在实验误差允许的范围内,该图像是一条过原点且斜率为g的直线,即可验证机械能守恒定律。将气垫导轨、数字计时器、光电门等仪器引入实验装置就构成了创新型实验问题,但是验证机械能守恒定律的实验原理是不变的。本题利用连接在一起的物体A和B验证机械能守恒定律,即需验证由物体A和B组成的系统的重力势能变化量与动能变化量相等,需要满足表达式ΔEkA+ΔEkB=ΔEpA+ΔEpB。

图2

解：(1)利用连接在一起的物体A和B验证机械能守恒定律,需要验证由物体A和B组成的系统的重力势能的变化量与动能的变化量相等,因此需要以物体A和B为研究对象。

(2)物体A和B通过不可伸长的轻绳连接在一起,物体A下降的高度一定等于物体B上升的高度,物体A和B的速度大小也总是相等,不需要单独测量物体A的下降高度或物体B的上升高度,但需要测量物体A和B(含遮光片)的质量mA和mB,光电门1、2间的距离h,遮光片的宽度d,以及物体B通过光电门1、2所用的时间t1、t2。

(3)物体B通过光电门1、2 的过程中,物体A的下降高度和物体B的上升高度均为h,物体B通过光电门1、2 的瞬时速度v1=,由物体A和B组成的系统的重力势能的变化量ΔEp=(mA-mB)gh,动能的变化量。若满足表达式,则可验证机械能守恒定律。

(4)轻绳与定滑轮间存在摩擦,物体A和B在运动过程中受到空气阻力的作用,这些是造成重力势能的减少量总是略大于动能的增加量的主要原因。

答案：(1)物体A和B(2)ABCD

(4)存在摩擦阻力和空气阻力

某同学利用光电门传感器设计了测定重力加速度的实验,实验装置如图3 甲所示。铁架台上端固定一个电磁铁,通电时,小钢球被吸在电磁铁上;断电时,小钢球自由下落。

图3

(1)现将光电门固定在竖直杆上的A点,光电门计时器记录下小钢球通过光电门所用的时间Δt0,用游标卡尺测出小钢球的直径d,则小钢球运动到光电门处的瞬时速度v=_______。

(2)调整光电门在竖直杆上的位置,再次释放小钢球,若某次实验时光电门计时器记录下小钢球通过光电门所用的时间为,设小钢球释放点到A点的距离为h0(d≪h0),则此时光电门的位置到A点的距离Δh=_____。

(3)移动光电门在竖直杆上的位置,进行多次实验,由于受到直尺长度的限制,该同学测了光电门固定位置与其正上方固定点P(图中未画出)之间的距离h,并记录小钢球通过光电门所用的时间Δt。利用实验数据绘制出如图3乙所示的图像,已知图像的斜率为k,纵轴截距为l,则重力加速度g=_____。

(4)该同学测出重力加速度g后,继续用该实验装置完成“验证机械能守恒定律”实验。_____(选填“需要”或“不需要”)测量小钢球的质量,若满足表达式_____(用(3)问给出的物理量表示),则可验证机械能守恒定律。

参考答案：(1)(2)3h0(3)

提示:“测定重力加速度”的实验原理是自由落体运动规律,即自由落体运动是初速度为0,加速度为重力加速度g的匀加速直线运动,满足表达式,v2=2gh。