實驗原理
———創(chuàng)新型實驗問題的根源

■山東省青島市青島實驗學校 柴曉麗

實驗原理是實驗的根源,深刻理解并熟練掌握實驗原理是制定實驗方法、選定實驗器材、確定實驗步驟、進行數(shù)據(jù)處理、得出實驗結論、實施拓展和遷移等一系列問題的前提。同學們在遇到創(chuàng)新型實驗問題時需要先利用題目條件和物理規(guī)律明確實驗原理,再從實驗原理出發(fā)逐步解決相關問題。下面以一道“驗證機械能守恒定律”的創(chuàng)新型實驗題為例,展示實驗原理的重要作用,為同學們提供參考。

例題如圖1所示,一根不可伸長的輕繩跨過光滑定滑輪,兩端分別拴接物體A和B,物體B上有一遮光片,光電門1、2和毫米刻度尺固定在鐵架臺上。將物體A和B同時由靜止釋放,利用必要的測量數(shù)據(jù)進行計算,可以完成“驗證機械能守恒定律”實驗。

圖1

(1)利用該實驗裝置驗證機械能守恒定律,需要以____(選填“物體A”“物體B”或“物體A和B”)為研究對象。

(2)已知重力加速度為g,要想驗證機械能守恒定律,還需測量的物理量有____。

A.物體A和B(含遮光片)的質量

B.遮光片的寬度d

C.光電門1、2間的距離h

D.物體B通過光電門1、2 所用的時間t1、t2

E.物體A下降的高度或物體B上升的高度

(3)若滿足表達式____(用(2)問需要測量的物理量表示),則可驗證機械能守恒定律。

(4)實驗結果顯示,重力勢能的減少量總是略大于動能的增加量,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是_____。

分析：“驗證機械能守恒定律”的實驗原理是研究對象的動能和重力勢能在相互轉化的過程中的總量保持不變,即滿足表達式ΔEk=ΔEp。教材中利用打點計時器研究單個物體在自由下落過程中機械能守恒的實驗裝置如圖2所示。若用表達式驗證,則需利用紙帶上的起始點和第n點測出其高度差hn,以及物體的瞬時速度vn,在實驗誤差允許的條件下,表達式成立,即可驗證機械能守恒定律;若用表達式驗證,則需任取紙帶上的A、B兩點測出其高度差hAB,以及物體在A、B兩點的瞬時速度,在實驗誤差允許的條件下,表達式成立,即可驗證機械能守恒定律;若用圖像法驗證,則需測量紙帶上的起始點到其余各點的距離h,并計算物體到達各點時的速度的平方v2,以為縱軸,以h為橫軸,根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制出圖像,在實驗誤差允許的范圍內,該圖像是一條過原點且斜率為g的直線,即可驗證機械能守恒定律。將氣墊導軌、數(shù)字計時器、光電門等儀器引入實驗裝置就構成了創(chuàng)新型實驗問題,但是驗證機械能守恒定律的實驗原理是不變的。本題利用連接在一起的物體A和B驗證機械能守恒定律,即需驗證由物體A和B組成的系統(tǒng)的重力勢能變化量與動能變化量相等,需要滿足表達式ΔEkA+ΔEkB=ΔEpA+ΔEpB。

圖2

解：(1)利用連接在一起的物體A和B驗證機械能守恒定律,需要驗證由物體A和B組成的系統(tǒng)的重力勢能的變化量與動能的變化量相等,因此需要以物體A和B為研究對象。

(2)物體A和B通過不可伸長的輕繩連接在一起,物體A下降的高度一定等于物體B上升的高度,物體A和B的速度大小也總是相等,不需要單獨測量物體A的下降高度或物體B的上升高度,但需要測量物體A和B(含遮光片)的質量mA和mB,光電門1、2間的距離h,遮光片的寬度d,以及物體B通過光電門1、2所用的時間t1、t2。

(3)物體B通過光電門1、2 的過程中,物體A的下降高度和物體B的上升高度均為h,物體B通過光電門1、2 的瞬時速度v1=,由物體A和B組成的系統(tǒng)的重力勢能的變化量ΔEp=(mA-mB)gh,動能的變化量。若滿足表達式,則可驗證機械能守恒定律。

(4)輕繩與定滑輪間存在摩擦,物體A和B在運動過程中受到空氣阻力的作用,這些是造成重力勢能的減少量總是略大于動能的增加量的主要原因。

答案：(1)物體A和B(2)ABCD

(4)存在摩擦阻力和空氣阻力

某同學利用光電門傳感器設計了測定重力加速度的實驗,實驗裝置如圖3 甲所示。鐵架臺上端固定一個電磁鐵,通電時,小鋼球被吸在電磁鐵上;斷電時,小鋼球自由下落。

圖3

(1)現(xiàn)將光電門固定在豎直桿上的A點,光電門計時器記錄下小鋼球通過光電門所用的時間Δt0,用游標卡尺測出小鋼球的直徑d,則小鋼球運動到光電門處的瞬時速度v=_______。

(2)調整光電門在豎直桿上的位置,再次釋放小鋼球,若某次實驗時光電門計時器記錄下小鋼球通過光電門所用的時間為,設小鋼球釋放點到A點的距離為h0(d?h0),則此時光電門的位置到A點的距離Δh=_____。

(3)移動光電門在豎直桿上的位置,進行多次實驗,由于受到直尺長度的限制,該同學測了光電門固定位置與其正上方固定點P(圖中未畫出)之間的距離h,并記錄小鋼球通過光電門所用的時間Δt。利用實驗數(shù)據(jù)繪制出如圖3乙所示的圖像,已知圖像的斜率為k,縱軸截距為l,則重力加速度g=_____。

(4)該同學測出重力加速度g后,繼續(xù)用該實驗裝置完成“驗證機械能守恒定律”實驗。_____(選填“需要”或“不需要”)測量小鋼球的質量,若滿足表達式_____(用(3)問給出的物理量表示),則可驗證機械能守恒定律。

參考答案：(1)(2)3h0(3)

提示:“測定重力加速度”的實驗原理是自由落體運動規(guī)律,即自由落體運動是初速度為0,加速度為重力加速度g的勻加速直線運動,滿足表達式,v2=2gh。