淺析一套實(shí)驗(yàn)裝置的多種用途

于秀安

在高中物理實(shí)驗(yàn)中，對(duì)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(shí)驗(yàn)?zāi)兀棵總€(gè)實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵笥钟惺裁床煌兀抗P者結(jié)合教材和考題對(duì)設(shè)計(jì)此類(lèi)裝置的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)如下：根據(jù)教材順序此類(lèi)裝置可涉及以下實(shí)驗(yàn)《探究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律》 《探究加速度、合外力、質(zhì)量之間的關(guān)系》 《探究合外力做的功與動(dòng)能之間的關(guān)系》 《驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律》.根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟煌瑢?duì)實(shí)驗(yàn)裝置的要求又略有不同，這也經(jīng)常是實(shí)驗(yàn)題中的考點(diǎn).

實(shí)驗(yàn)1：對(duì)于《探究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律》實(shí)驗(yàn)中，我們需要記錄一種勻加速直線運(yùn)動(dòng).只需讓小車(chē)在砝碼盤(pán)和砝碼的帶動(dòng)下做勻加速直線運(yùn)動(dòng)即可，就可以在小車(chē)所帶動(dòng)的紙帶上記錄下勻變速直線運(yùn)動(dòng).對(duì)于后面經(jīng)常提到的平衡摩擦力及讓砝碼盤(pán)和砝碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車(chē)和車(chē)中砝碼的質(zhì)量在本實(shí)驗(yàn)中是不需要的.

實(shí)驗(yàn)2：《探究加速度、合外力、質(zhì)量之間的關(guān)系》的實(shí)驗(yàn)是對(duì)本裝置的認(rèn)識(shí)要求比較高的實(shí)驗(yàn).本實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象是小車(chē)及車(chē)中的砝碼，需要探究的公式是F=Ma.質(zhì)量用天平可以測(cè)量，加速度用紙帶可以計(jì)算，測(cè)量小車(chē)所受的合外力是本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn).首先、我們要用細(xì)線的拉力充當(dāng)小車(chē)所受的合外力，以此，要保證運(yùn)動(dòng)的小車(chē)在去掉繩的拉力時(shí)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(shí)驗(yàn)時(shí)中不宜測(cè)量，我們要用砝碼盤(pán)及盤(pán)中砝碼的重力來(lái)充當(dāng)，但是，由于整個(gè)系統(tǒng)在做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，砝碼盤(pán)和盤(pán)中砝碼的重力并不等于繩的拉力.設(shè)小車(chē)及車(chē)中質(zhì)量為M，砝碼盤(pán)及盤(pán)中砝碼質(zhì)量為m，根據(jù)牛頓第二定律：

T=Ma （1）

mg-T=ma（2）

聯(lián)立（1）、（2）式即可得到

T=Mmg（M+m）

要想T近似等于mg，只要滿(mǎn)足mM即可.因此本實(shí)驗(yàn)為保證mg充當(dāng)小車(chē)所受的合外力，需要①平衡摩擦力②滿(mǎn)足mM.并要理解這兩個(gè)要求的目的分別是什么.

實(shí)驗(yàn)3：《探究合外力做功和動(dòng)能之間的關(guān)系》實(shí)驗(yàn)中除了可以用課本上的實(shí)驗(yàn)裝置外也可以用上述裝置，研究對(duì)象同樣是小車(chē)及車(chē)中砝碼.由于要去求合外力做的功，只需在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)出合外力的基礎(chǔ)上，再測(cè)量出小車(chē)的位移x即可求出合外力做的功.因此實(shí)驗(yàn)室中同樣需要①平衡摩擦力②滿(mǎn)足mM.

需要探究的關(guān)系是mgx=12mv22-12mv2.

需要注意的是，在實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)3某些題目中，在小車(chē)上加了力傳感器或在繩上連入了彈簧秤來(lái)直接測(cè)量繩上的拉力，如圖3.根據(jù)上面的解釋?zhuān)@種情況下，只需要平衡摩擦力即可而不再需要滿(mǎn)足mM.

實(shí)驗(yàn)4：《驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律》實(shí)驗(yàn)除了可以用自由落體運(yùn)動(dòng)來(lái)驗(yàn)證外，也可以用本裝置來(lái)實(shí)現(xiàn).因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)研究對(duì)象為整個(gè)系統(tǒng)，繩上的拉力為內(nèi)力，不用再考慮是否等于砝碼及砝碼盤(pán)中的重力，也就不需要滿(mǎn)足mM.整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中減少的重力勢(shì)能為mgx，需要注意的是系統(tǒng)動(dòng)能的增加量為

12（M+m）v22-12（M+m）v21.

需要驗(yàn)證的關(guān)系是

mgx=12（M+m）v22-12（M+m）v21.

綜上所述，此裝置可以做很多個(gè)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，但是不同的實(shí)驗(yàn)，對(duì)裝置有不同的要求和不同的數(shù)據(jù)處理.要分清這些實(shí)驗(yàn)必須要做到，（1）看實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）針對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康男枰獪y(cè)量哪些物理量（3）為了保證測(cè)量值的準(zhǔn)確性對(duì)裝置有那些要求（4）再根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡贸鲂枰?yàn)證的關(guān)系式.除此之外，上述實(shí)驗(yàn)的木板還可以用帶有光電門(mén)的氣墊導(dǎo)軌來(lái)代替，規(guī)律同樣適用.平時(shí)我們要善于觀察和總結(jié)，就可以在很多看似容易混淆的題目中找到相關(guān)規(guī)律和聯(lián)系.