一套實驗儀器的多種用法

戴志娟

利用探究加速度與力、質量關系的實驗裝置，可以開展不同的實驗.對比這些實驗我們發(fā)現(xiàn)；實驗思路、步驟和方法大致相同，但細節(jié)方面卻不盡相同.出于不同的實驗目的，我們用同一套裝置時需要重新思考探究本文列舉幾道例題，對比這些實驗，總結各個實驗各自的特點，從而培養(yǎng)學生的知識遷移能力。

例1 某實驗小組用如圖1甲所示裝置測量木板對木塊的摩擦力所做的功。實驗時，水塊在重物牽引下向右運動，重物落地后，木塊繼續(xù)向右做勻減速運動。圖乙是重物落地后打點計時器打出的紙帶，紙帶上的小黑點是計數(shù)點，相鄰的兩計數(shù)點之間還有4個點（圖中未標出），計數(shù)點間的距離如圖乙所示。已知打點計時器所用交流電的頻率為50HZ。

（1）可以判斷紙帶的_____（填“左端”或“右端”）與木塊連接。

（2）根據(jù)紙帶提供的數(shù)據(jù)可計算出打點計時器在打下A點、B點時木塊的速度。ν_A=_________m/s，ν_B=_________m/s，（結果保留兩位有效數(shù)字）

（3）根據(jù)紙帶提供的數(shù)據(jù)可計算出木塊在AB段減速運動的加速度a=______m/s²，方向向______（填“左”或“右”），則木板對木塊的動摩擦因數(shù)μ=_______.（結果保留兩位有效數(shù)字）

（4）要測量在AB段木板對木塊的摩擦力所做的功和A點到B點動能的變化量，還應測量的物理量是_____。

A.木板的長度L

B.木塊的質量m₁

C.重物的質量m₂

D.A、B之間的距離x

（5）驗證在AB段動能定理成立的關系式可表示為_______。（用題中所給的物理量的符號表示）

答案

（1）右端

（2）0.72 0.97

（3）0.64 向左 0.065

（4）BD

（5）

解析 （1）重物落地后，木塊在摩擦力的作用下繼續(xù)做勻減速直線運動，相鄰計數(shù)點間的距離逐漸減小，紙帶向右運動，故右端連著小木塊。

（2）紙帶上各計數(shù)點之間的時間間隔T=0.02s×5=0.1s，由勻變速直線運動的推論得：打A點時的速度：

例2 某實驗興趣小組為測一遙控電動小車的額定功率，進行了如下實驗：

①用天平測出電動小車的質量為0.4kg；

②將電動小車、紙帶和打點計時器按如圖2所示安裝；

③接通打點計時器（其打點周期為0.02s）；

④使電動小車以額定功率加速運動，達到最大速度一段時間后關閉小車電源。待小車靜止時再關閉打點計時器（設在整個過程中小車所受的阻力恒定）。

在上述過程中，打點計時器在紙帶上所打的點跡如圖3甲、乙所示，圖中0點是打點計時器打的第一個點。

請你分析紙帶數(shù)據(jù)，回答下列問題：

（1）該電動小車運動的最大速度為________m/s；

（2）該電動小車運動過程中所受的阻力大小為______N；

（3）該電動小車的額定功率為______W。

答案（1）1.50（2）1.60（3）2.40

解析 （1）根據(jù)紙帶可知，當所打的點點距均勻時，小車勻速運動，牽引力等于阻力，此時速度最大，最大速度為：

例3某學習小組在“探究速度隨時間的變化規(guī)律”的實驗中，用如圖4所示的氣墊導軌裝置來測小車的加速度，由導軌標尺可以測出兩個光電門之間的距離L，窄遮光板的寬度為d，窄遮光板依次通過兩個光電門的時間分別為t₁、t₂。

（1）通過兩個光電門的瞬時速度分別為ν₁=________，ν₂=________。在計算瞬時速度時應用的物理方法是_______。（填“極限法”“微元法”或“控制變量法”。

（2）滑塊的加速度可以表示為a=_______（用題中所給物理量表示）。

（3）實驗中_________（填“需要”或“不需要”）將氣墊導軌的一端墊高來平衡摩擦力，但若近似認為細線對小車的拉力與重物重力大小相等，則重物的質量m與小車的質量M間應滿足的關系為_________。

（4）該學習小組經分析討論后發(fā)現(xiàn)，實驗不僅可以測出滑塊的加速度，還可用上述實驗裝置來驗證機械能守恒定律，為此還需測量的物理量是_____和______，機械能守恒的表達式為_____（用題中所給物理量和測量的物理量表示）。

（5）實驗中，釣碼減少的重力勢能總是略大于系統(tǒng)增加的動能，主要原因是__________。

（5）空氣阻力做功的影響

解析 （1）由于遮光條通過光電門的時間極短，可以用平均速度表示瞬時速度。根據(jù)勻變速直線運動的速度位移公式求出滑塊的加速度。

（3）由于氣墊導軌上的滑塊已經實現(xiàn)與導軌脫離，因此滑塊與導軌間已經不存在摩擦力的作用，但若近似認為細線對小車的拉力與重物重力大小相等，必須滿足沙桶質量m遠小于滑塊的質量M。

（4）根據(jù)功能關系得重力做功的數(shù)值等于重力勢能減小量。要注意本題的研究對象是系統(tǒng)。系統(tǒng)的總動能變化為：

（5）雖然導軌于滑塊間的摩擦力不存在了，但空氣對滑塊的阻礙作用仍然不可避免，空氣阻力對滑塊所做的功使得系統(tǒng)的機械能稍微的減少了。

相同的實驗裝置，設計不同的實驗，考察實驗的相關知識，反推實驗細節(jié)的設計，需要理論聯(lián)系實際深入思考。從實驗的設計層面，宏觀把握實驗的思路，才能真正地理解實驗，做到舉一反三。endprint