由一個(gè)普通裝置所想到的力學(xué)實(shí)驗(yàn)

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由一個(gè)普通裝置所想到的力學(xué)實(shí)驗(yàn)

◇山東 閆麗軍1趙國(guó)霞2

在力學(xué)實(shí)驗(yàn)中我們經(jīng)常會(huì)見到如圖1所示的裝置:帶滑輪的木板、小車、鉤碼、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、細(xì)線、紙帶．實(shí)驗(yàn)儀器很簡(jiǎn)單，利用這個(gè)裝置我們可以完成什么實(shí)驗(yàn)?zāi)?

圖1

高中物理《考試說明》中確定的力學(xué)實(shí)驗(yàn)有研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)、探究彈力和彈簧伸長(zhǎng)的關(guān)系、驗(yàn)證力的平行四邊形定則、驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律、探究動(dòng)能定理、驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．我們可以完成研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)、探究加速度與力的關(guān)系、探究功與速度變化的關(guān)系、驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律等4個(gè)主要力學(xué)實(shí)驗(yàn)．

實(shí)驗(yàn)1研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)主要是對(duì)紙帶的處理,需應(yīng)用勻變速直線運(yùn)動(dòng)的2個(gè)重要的推論:

1) 做勻變速直線運(yùn)動(dòng)的物體在某段時(shí)間內(nèi)的平均速度等于中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度．

2) 做勻變速直線運(yùn)動(dòng)的物體在連續(xù)相等時(shí)間內(nèi)位移之差為恒量，即Δx=at2．

圖2

某同學(xué)利用圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置,探究物塊在水平桌面上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律．物塊在重物的牽引下開始運(yùn)動(dòng),重物落地后,物塊再運(yùn)動(dòng)一段距離停在桌面上(尚未到達(dá)滑輪處)．從紙帶上便于測(cè)量的點(diǎn)開始,每5個(gè)點(diǎn)取1個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn),相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離如圖3所示．打點(diǎn)計(jì)時(shí)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(jì)數(shù)點(diǎn)6和7之間某時(shí)刻開始減速．(有學(xué)生誤認(rèn)為7和8之間,這是對(duì)Δx=at2不能正確應(yīng)用)

(2) 計(jì)數(shù)點(diǎn)5對(duì)應(yīng)的速度大小為1.00 m·s-1,計(jì)數(shù)點(diǎn)6對(duì)應(yīng)的速度大小為1.20 m·s-1(保留3位有效數(shù)字)．(在計(jì)算計(jì)數(shù)點(diǎn)6的速度時(shí),學(xué)生容易錯(cuò)誤地用通過4和6之間的平均速度來(lái)求)

(3) 物塊減速運(yùn)動(dòng)過程中加速度的大小為a=2.00m·s-2,若用a/g來(lái)計(jì)算物塊與桌面間的動(dòng)摩擦因數(shù)(g為重力加速度),則計(jì)算結(jié)果比動(dòng)摩擦因數(shù)的真實(shí)值偏大(填“偏大”或“偏小”).

實(shí)驗(yàn)2探究加速度與力的關(guān)系的核心問題是:

1) 細(xì)線的拉力為合力,為此我們要首先平衡摩擦力．

2) 如何測(cè)量拉力?在人教版《必修1》中所提供的實(shí)驗(yàn)是讓鉤碼的重力充當(dāng)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(zhì)量m要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量m0)．這個(gè)實(shí)驗(yàn)經(jīng)?？疾?是高頻考點(diǎn)．需要指出的是在實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作過程中平衡摩擦力并不容易,加速度比較大時(shí)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(jié)合牛頓運(yùn)動(dòng)定律.我們可以計(jì)算滑塊與木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ.實(shí)驗(yàn)步驟如下(用光電門取代打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶,如圖6所示):

(1) 測(cè)出滑塊質(zhì)量m0和所掛鉤碼的質(zhì)量m;測(cè)出長(zhǎng)木板上B點(diǎn)到光電門的距離x;測(cè)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(xì)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(yùn)動(dòng).記錄遮光片通過光電門的時(shí)間t.

實(shí)驗(yàn)4在驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中,我們主要驗(yàn)證鉤碼和小車組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒．這里機(jī)械能守恒的表述為:

學(xué)生在這里往往選擇小車作為研究對(duì)象,這是錯(cuò)誤的．也可以讓學(xué)生思考在本實(shí)驗(yàn)中是否需要m?m0,這個(gè)問題分析清楚,學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解將更加透徹．由于在實(shí)驗(yàn)中鉤碼、小車會(huì)受到摩擦阻力、空氣阻力,系統(tǒng)減少的重力勢(shì)能將會(huì)大于增加的動(dòng)能,這屬于系統(tǒng)誤差．

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(duì)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(shì)．《考試說明》要求考生掌握常規(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)的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)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(yùn)用,要求考生有較強(qiáng)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(shí)驗(yàn),而是在講實(shí)驗(yàn)、練實(shí)驗(yàn)．筆者認(rèn)為從高一新課學(xué)習(xí)開始,教師就應(yīng)盡一切可能引導(dǎo)學(xué)生做實(shí)驗(yàn),能做分組實(shí)驗(yàn)的不做演示實(shí)驗(yàn)．只有學(xué)生親自動(dòng)手探索發(fā)現(xiàn)問題,才能真正理解實(shí)驗(yàn),才能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)．尤其在高三復(fù)習(xí)中,一些實(shí)驗(yàn)一定要抽出時(shí)間集中做一下．