淺析一套實驗裝置的多種用途

于秀安

在高中物理實驗中，對于圖1的裝置大家都不陌生，那么這樣的裝置到底可以做多少種實驗呢？每個實驗根據實驗目的和要求又有什么不同呢？筆者結合教材和考題對設計此類裝置的實驗進行總結如下：根據教材順序此類裝置可涉及以下實驗《探究勻變速直線運動的規律》 《探究加速度、合外力、質量之間的關系》 《探究合外力做的功與動能之間的關系》 《驗證機械能守恒定律》.根據實驗目的不同，對實驗裝置的要求又略有不同，這也經常是實驗題中的考點.

實驗1：對于《探究勻變速直線運動的規律》實驗中，我們需要記錄一種勻加速直線運動.只需讓小車在砝碼盤和砝碼的帶動下做勻加速直線運動即可，就可以在小車所帶動的紙帶上記錄下勻變速直線運動.對于后面經常提到的平衡摩擦力及讓砝碼盤和砝碼質量遠小于小車和車中砝碼的質量在本實驗中是不需要的.

實驗2：《探究加速度、合外力、質量之間的關系》的實驗是對本裝置的認識要求比較高的實驗.本實驗的研究對象是小車及車中的砝碼，需要探究的公式是F=Ma.質量用天平可以測量，加速度用紙帶可以計算，測量小車所受的合外力是本實驗的重點和難點.首先、我們要用細線的拉力充當小車所受的合外力，以此，要保證運動的小車在去掉繩的拉力時合外力為零，必須要平衡摩擦力，讓重力的分力與摩擦力抵消.裝置需改為圖2，抬高右端以平衡摩擦力.其次，繩上的拉力在實驗時中不宜測量，我們要用砝碼盤及盤中砝碼的重力來充當，但是，由于整個系統在做勻加速直線運動，砝碼盤和盤中砝碼的重力并不等于繩的拉力.設小車及車中質量為M，砝碼盤及盤中砝碼質量為m，根據牛頓第二定律：

T=Ma （1）

mg-T=ma（2）

聯立（1）、（2）式即可得到

T=Mmg（M+m）

要想T近似等于mg，只要滿足mM即可.因此本實驗為保證mg充當小車所受的合外力，需要①平衡摩擦力②滿足mM.并要理解這兩個要求的目的分別是什么.

實驗3：《探究合外力做功和動能之間的關系》實驗中除了可以用課本上的實驗裝置外也可以用上述裝置，研究對象同樣是小車及車中砝碼.由于要去求合外力做的功，只需在第二個實驗裝置測出合外力的基礎上，再測量出小車的位移x即可求出合外力做的功.因此實驗室中同樣需要①平衡摩擦力②滿足mM.

需要探究的關系是mgx=12mv22-12mv2.

需要注意的是，在實驗2和實驗3某些題目中，在小車上加了力傳感器或在繩上連入了彈簧秤來直接測量繩上的拉力，如圖3.根據上面的解釋，這種情況下，只需要平衡摩擦力即可而不再需要滿足mM.

實驗4：《驗證機械能守恒定律》實驗除了可以用自由落體運動來驗證外，也可以用本裝置來實現.因為本實驗研究對象為整個系統，繩上的拉力為內力，不用再考慮是否等于砝碼及砝碼盤中的重力，也就不需要滿足mM.整個系統在運動過程中減少的重力勢能為mgx，需要注意的是系統動能的增加量為

12（M+m）v22-12（M+m）v21.

需要驗證的關系是

mgx=12（M+m）v22-12（M+m）v21.

綜上所述，此裝置可以做很多個力學實驗，但是不同的實驗，對裝置有不同的要求和不同的數據處理.要分清這些實驗必須要做到，（1）看實驗目的（2）針對實驗目的需要測量哪些物理量（3）為了保證測量值的準確性對裝置有那些要求（4）再根據實驗目的得出需要驗證的關系式.除此之外，上述實驗的木板還可以用帶有光電門的氣墊導軌來代替，規律同樣適用.平時我們要善于觀察和總結，就可以在很多看似容易混淆的題目中找到相關規律和聯系.