由一個普通裝置所想到的力學實驗

?

由一個普通裝置所想到的力學實驗

◇山東 閆麗軍1趙國霞2

在力學實驗中我們經(jīng)常會見到如圖1所示的裝置:帶滑輪的木板、小車、鉤碼、打點計時器、細線、紙帶．實驗儀器很簡單，利用這個裝置我們可以完成什么實驗呢?

圖1

高中物理《考試說明》中確定的力學實驗有研究勻變速直線運動、探究彈力和彈簧伸長的關系、驗證力的平行四邊形定則、驗證牛頓運動定律、探究動能定理、驗證機械能守恒定律．我們可以完成研究勻變速直線運動、探究加速度與力的關系、探究功與速度變化的關系、驗證機械能守恒定律等4個主要力學實驗．

實驗1研究勻變速直線運動主要是對紙帶的處理,需應用勻變速直線運動的2個重要的推論:

1) 做勻變速直線運動的物體在某段時間內的平均速度等于中間時刻的瞬時速度．

2) 做勻變速直線運動的物體在連續(xù)相等時間內位移之差為恒量，即Δx=at2．

圖2

某同學利用圖2所示的實驗裝置,探究物塊在水平桌面上的運動規(guī)律．物塊在重物的牽引下開始運動,重物落地后,物塊再運動一段距離停在桌面上(尚未到達滑輪處)．從紙帶上便于測量的點開始,每5個點取1個計數(shù)點,相鄰計數(shù)點間的距離如圖3所示．打點計時器電源的頻率為50 Hz．

圖3

(1) 通過分析紙帶數(shù)據(jù),可判斷物塊在相鄰計數(shù)點6和7之間某時刻開始減速．(有學生誤認為7和8之間,這是對Δx=at2不能正確應用)

(2) 計數(shù)點5對應的速度大小為1.00 m·s-1,計數(shù)點6對應的速度大小為1.20 m·s-1(保留3位有效數(shù)字)．(在計算計數(shù)點6的速度時,學生容易錯誤地用通過4和6之間的平均速度來求)

(3) 物塊減速運動過程中加速度的大小為a=2.00m·s-2,若用a/g來計算物塊與桌面間的動摩擦因數(shù)(g為重力加速度),則計算結果比動摩擦因數(shù)的真實值偏大(填“偏大”或“偏小”).

實驗2探究加速度與力的關系的核心問題是:

1) 細線的拉力為合力,為此我們要首先平衡摩擦力．

2) 如何測量拉力?在人教版《必修1》中所提供的實驗是讓鉤碼的重力充當拉力．這種情況下需要小車和鉤碼的加速度比較小(即鉤碼的質量m要遠遠小于小車的質量m0)．這個實驗經(jīng)常考查,是高頻考點．需要指出的是在實驗的實際操作過程中平衡摩擦力并不容易,加速度比較大時誤差也比較大．在現(xiàn)有裝置下我們可以做如下改變,裝置如圖4所示.

圖4

圖5

利用本裝置,結合牛頓運動定律.我們可以計算滑塊與木板間的動摩擦因數(shù)μ.實驗步驟如下(用光電門取代打點計時器和紙帶,如圖6所示):

(1) 測出滑塊質量m0和所掛鉤碼的質量m;測出長木板上B點到光電門的距離x;測出光電門的寬度d.

圖6

(2) 將滑塊置于B處,用繞過定滑輪的細線將鉤碼與滑塊相連.

(3) 將滑塊和鉤碼由靜止釋放,滑塊做加速運動.記錄遮光片通過光電門的時間t.

實驗4在驗證機械能守恒定律的實驗中,我們主要驗證鉤碼和小車組成的系統(tǒng)機械能守恒．這里機械能守恒的表述為:

學生在這里往往選擇小車作為研究對象,這是錯誤的．也可以讓學生思考在本實驗中是否需要m?m0,這個問題分析清楚,學生對實驗的理解將更加透徹．由于在實驗中鉤碼、小車會受到摩擦阻力、空氣阻力,系統(tǒng)減少的重力勢能將會大于增加的動能,這屬于系統(tǒng)誤差．

力學創(chuàng)新實驗是高考的熱點內容,以分組或演示實驗為背景,考查對實驗方法的領悟情況.靈活運用學過的實驗方法設計新的實驗是高考實驗題的新趨勢．《考試說明》要求考生掌握常規(guī)實驗的數(shù)據(jù)處理方法,能將課本中分組實驗和演示實驗的實驗原理、實驗方法遷移到新的背景中,深刻理解物理概念和規(guī)律,并能靈活運用,要求考生有較強的創(chuàng)新能力．現(xiàn)在我們面臨這樣一種窘境:我們不是在做實驗,而是在講實驗、練實驗．筆者認為從高一新課學習開始,教師就應盡一切可能引導學生做實驗,能做分組實驗的不做演示實驗．只有學生親自動手探索發(fā)現(xiàn)問題,才能真正理解實驗,才能創(chuàng)新實驗．尤其在高三復習中,一些實驗一定要抽出時間集中做一下．