力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的“打點(diǎn)計(jì)時(shí)器”

王洪忠

【中圖分類號】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）04-0177-02

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

1.鞏固了解打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的構(gòu)造、工作原理和用途。

2.通過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器這一主線使學(xué)生掌握：研究勻變速直線運(yùn)動、驗(yàn)證牛頓運(yùn)動定律、探究動能定理、驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律等高考力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

【實(shí)驗(yàn)要求】

《考試說明》中明確規(guī)定的物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)有：研究勻變速直線運(yùn)動、探究彈力和彈簧伸長的關(guān)系、驗(yàn)證力的平行四邊形定則、驗(yàn)證牛頓運(yùn)動定律、探究動能定理、驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。其中有四個實(shí)驗(yàn)與紙帶處理有關(guān)，可見力實(shí)驗(yàn)部分以紙帶的處理，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的應(yīng)用為核心來展開復(fù)習(xí)。近幾年力學(xué)實(shí)驗(yàn)中與紙帶處理相關(guān)的實(shí)驗(yàn)、力學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是高考的熱點(diǎn)內(nèi)容，以分組或演示實(shí)驗(yàn)為背景，考查對實(shí)驗(yàn)方法的領(lǐng)悟情況、靈活運(yùn)用學(xué)過的實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)是高考實(shí)驗(yàn)題的新趨勢。要求學(xué)生掌握常規(guī)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理方法，能將課本中分組實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法遷移到新的背景中，深刻理解概念和規(guī)律，并能靈活運(yùn)用，要求學(xué)生有較強(qiáng)的創(chuàng)新能力。

在復(fù)習(xí)過程中，應(yīng)以掌握常規(guī)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法、規(guī)范操作程序、數(shù)據(jù)處理方法等為本，同時(shí)從常規(guī)實(shí)驗(yàn)中，有意識的、積極的提取、積累一些有價(jià)值的方法。逐步過渡到靈活運(yùn)用學(xué)過的實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)。

【實(shí)驗(yàn)器材】打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、低壓交流電源、小車、鉤碼、砝碼、細(xì)線、一端固有定滑輪的長木板、帶有鐵夾的鐵架臺、重錘。

【實(shí)驗(yàn)過程】

[實(shí)驗(yàn)一]：研究勻變速直線運(yùn)動的加速度與瞬時(shí)速度

操作一：利用以上所給的器材設(shè)計(jì)一拖動紙帶做勻變速直線運(yùn)動的運(yùn)動模型

問題1：如何利用紙帶判斷物體是否做勻變速運(yùn)動？

問題2：選擇一條清晰的紙帶計(jì)算打不同計(jì)數(shù)點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度，并計(jì)算其加速度。

問題3：若使用小車，則本實(shí)驗(yàn)中需要平衡摩擦力嗎？

操作二：改變物體的加速度，并重新計(jì)算其加速度

例1.某同學(xué)利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所記錄的紙帶來研究做勻變速直線運(yùn)動小車的運(yùn)動情況，實(shí)驗(yàn)中獲得一條紙帶，如圖所示，其中兩相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間有四個點(diǎn)未畫出。已知所用電源的頻率為50Hz，則打A點(diǎn)時(shí)小車運(yùn)動的速度vA=_____m/s，小車運(yùn)動的加速度a=_____m/s2。（結(jié)果要求保留三位有效數(shù)字）

[實(shí)驗(yàn)二]：驗(yàn)證牛頓運(yùn)動定律

操作三：利用小車以及以上其他裝置設(shè)計(jì)一驗(yàn)證牛頓運(yùn)動定律的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

問題4：交流討論實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果，并簡述實(shí)驗(yàn)操作過程。

操作四：選擇最佳實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停M(jìn)行操作實(shí)驗(yàn)并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

問題5：展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并思考此實(shí)驗(yàn)需要平衡摩擦力嗎？

例2.某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個探究小車的加速度a與小車所受拉力F及質(zhì)量m關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，圖（a）為實(shí)驗(yàn)裝置簡圖（所用交變電流的頻率為50Hz）。

（1）圖（b）為某次實(shí)驗(yàn)得到的紙帶，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖，圖中相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)之間還有4個點(diǎn)未畫出，根據(jù)紙帶可求出小車的加速度大小為——m/s2.（保留三位有效數(shù)字）。

（2）保持小車質(zhì)量不變，改變砂和砂桶質(zhì)量，一位同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出了加速度a隨拉力F的變化圖線如圖所示。該圖線不通過原點(diǎn)，其主要原因是______________。

[實(shí)驗(yàn)三]：探究動能定理

操作五：利用以上裝置設(shè)計(jì)一探究動能定理的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

問題6：交流討論實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果，并簡述實(shí)驗(yàn)操作過程

操作六：選擇最佳實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停M(jìn)行操作實(shí)驗(yàn)并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

問題7：展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并思考此實(shí)驗(yàn)需要平衡摩擦力嗎？

例3. 科學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)離不開科學(xué)探究，而科學(xué)探究可以分為理論探究和實(shí)驗(yàn)探究。下面我們追尋科學(xué)家的研究足跡用兩種方法探究恒力做功和物體動能變化間的關(guān)系。

Ⅰ.理論探究：

根據(jù)牛頓運(yùn)動定律和有關(guān)運(yùn)動學(xué)公式，推導(dǎo)在恒定合外力的作用下，功與物體動能變化間的關(guān)系，請?jiān)诖痤}紙上對應(yīng)位置寫出你的推導(dǎo)過程。

Ⅱ.實(shí)驗(yàn)探究：

①某同學(xué)的實(shí)驗(yàn)方案如上圖所示，他想用鉤碼的重力表示小車受到的合外力，為了減小這種做法帶來的實(shí)驗(yàn)誤差，你認(rèn)為在實(shí)驗(yàn)中還應(yīng)該采取的兩項(xiàng)措施是：

a. ；b. 。

②如下圖所示是某次實(shí)驗(yàn)中得到的一條紙帶，其中A、B、C、D、E、F是計(jì)數(shù)點(diǎn)，相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔為T。距離如圖，則打C點(diǎn)時(shí)小車的速度為____；要驗(yàn)證合外力的功與動能變化間的關(guān)系，除位移、速度外，還要測出的物理量有____。

[實(shí)驗(yàn)四]：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律

操作七：利用以上裝置設(shè)計(jì)一驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

問題8：交流討論實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果，并簡述實(shí)驗(yàn)操作過程

操作八：選擇最佳實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停M(jìn)行操作實(shí)驗(yàn)并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

問題9：展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并進(jìn)行誤差分析

例4.用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，實(shí)驗(yàn)所用的電源為學(xué)生電源，輸出電壓為6V的交流電和直流電兩種，重錘從高處由靜止開始下落，重錘上拖著的紙帶打出一系列的點(diǎn)，對紙帶上的點(diǎn)痕進(jìn)行測量，即驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。下面列舉了該實(shí)驗(yàn)的幾個操作步驟：

A.按照圖示的裝置安裝器件；

B.將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到電源的“直流輸出”上；

C.用天平測出重錘的質(zhì)量；

D.釋放懸掛紙帶的夾子，同時(shí)接通電源開關(guān)打出一條紙帶；

E.測量紙帶上某些點(diǎn)間的距離；

F.根據(jù)測量的結(jié)果計(jì)算重錘下落過程中減少的重力勢能是否等于增加的動能。

其中沒有必要進(jìn)行的或者操作不當(dāng)?shù)牟襟E是________.

【實(shí)驗(yàn)小結(jié)】

解決以上力學(xué)系列實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶求得紙帶（即與紙帶相連的物體）的速度與加速度，然后代入不同的實(shí)驗(yàn)原理方程，完成實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>