力學(xué)分組實(shí)驗(yàn)的回顧與總結(jié)

於新泉

高中物理力學(xué)分組實(shí)驗(yàn)有：驗(yàn)證力的平行四邊形定則，研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)，探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.其中有三個(gè)實(shí)驗(yàn)常利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器進(jìn)行.近幾年力學(xué)中相關(guān)紙帶處理的實(shí)驗(yàn)、力學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是高考的熱點(diǎn)內(nèi)容.在實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)中，應(yīng)以掌握常規(guī)實(shí)驗(yàn)原理、方法、規(guī)范操作程序、數(shù)據(jù)處理方法等為根本，靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)方法遷移到新的背景中，設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)和解決相關(guān)問題.

一、實(shí)驗(yàn)的原理和注意點(diǎn)

1.探究求合力的方法

一個(gè)力F的作用效果與兩個(gè)共點(diǎn)力F1和F2的共同作用效果都是把橡皮條結(jié)點(diǎn)拉伸到某點(diǎn)，則F為F1和F2的合力，作出F的圖示，再根據(jù)力的平行四邊形定則作出F1和F2的合力F'的圖示，比較F'與F在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)是否大小相等、方向相同，即可得到互成角度的兩個(gè)力的合成遵從平行四邊形定則.

實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意：（1）定位（）點(diǎn)時(shí)要力求準(zhǔn)確;（2）同一次實(shí)驗(yàn)中，用兩個(gè)彈簧秤和只用一個(gè)彈簧秤拉橡皮條使結(jié)點(diǎn)O必須保持位置不變;（3）用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)拉力時(shí)要使拉力沿彈簧測(cè)力計(jì)軸線方向;（4）應(yīng)使橡皮條、彈簧測(cè)力計(jì)和細(xì)繩套位于與紙面平行的同一平面內(nèi);（5）兩個(gè)分力F1、F2間的夾角θ不要太大，也不要太小.（6）在同一次實(shí)驗(yàn)中，選定的標(biāo)度要相同;（7）嚴(yán)格按力的圖示要求和幾何作圖法作出平行四邊形.

2.探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系

探究加速度a與力F、質(zhì)量M的關(guān)系時(shí)，應(yīng)用的基本方法是控制變量法，可先控制小車的質(zhì)量朋不變，探究加速度a與力F的關(guān)系;再控制小盤和砝碼的質(zhì)量不變，即力F不變，改變小車質(zhì)量M，探究加速度a與質(zhì)量M的關(guān)系.

實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意：（1）正確做好平衡摩擦力的工作，利用墊塊調(diào)節(jié)斜面傾角，使小車的重力沿著斜面方向的分力正好平衡小車受到的摩擦阻力.在平衡摩擦力時(shí)，不要把懸掛小盤的細(xì)線系在小車上，即不要給小車加任何牽引力，通過調(diào)節(jié)讓小車拖著打點(diǎn)的紙帶勻速運(yùn)動(dòng);（2）整個(gè)實(shí)驗(yàn)平衡了摩擦力后，不管以后是改變小盤和砝碼的總質(zhì)量還是改變小車和砝碼的總質(zhì)量，都不需要重新平衡摩擦力;（3）每條紙帶必須在滿足小車與車上所加砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)大于小盤和砝碼的總質(zhì)量的條件下打出.只有如此，小盤和砝碼的總重力才可視為小車受到的拉力;（4）改變拉力和小車質(zhì)量后，每次開始時(shí)小車應(yīng)盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，并應(yīng)先接通電源，再放開小車，且應(yīng)在小車到達(dá)滑輪前按住小車.

例1 某小組利用如圖1所示的裝置驗(yàn)證牛頓第二定律.實(shí)驗(yàn)中，他們先利用墊塊平衡摩擦力，用天平測(cè)出小車的總質(zhì)量，用細(xì)線所掛砝碼盤和砝碼的總重代替小車所受的牽引力大小F.調(diào)節(jié)木板上定滑輪的高度，使?fàn)恳≤嚨募?xì)線與木板平行.這樣做的目的是

（ ? ?）

A.避免小車在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生抖動(dòng)

B.使打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出的點(diǎn)跡清晰

C.保證小車最終能夠做勻速直線運(yùn)動(dòng)

D.使細(xì)線拉力等于小車受到的合力

解析 依據(jù)實(shí)驗(yàn)的基本原理，如果細(xì)線與木板不平行，需要將細(xì)線對(duì)小車的拉力進(jìn)行分解，小車受到的摩擦力也發(fā)生變化，細(xì)線拉力不再等于小車受到的合力，故本題選D.

3.驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律

二、關(guān)于紙帶的處理

利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的實(shí)驗(yàn)均涉及紙帶，對(duì)于紙帶的數(shù)據(jù)處理必須弄清楚下面幾點(diǎn)：

1.紙帶的選?。阂话銓?shí)驗(yàn)應(yīng)選用點(diǎn)跡清晰、無漏點(diǎn)的紙帶中選取有足夠多點(diǎn)的一段作為實(shí)驗(yàn)紙帶.在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)中需要用到初速度為零的起點(diǎn)時(shí)，還要求紙帶包含打出的第一、二點(diǎn)，且兩點(diǎn)距離接近2.0 mm.

2.根據(jù)紙帶上點(diǎn)的密集程度選取計(jì)數(shù)點(diǎn).打點(diǎn)計(jì)時(shí)器每打n個(gè)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，則計(jì)數(shù)點(diǎn)時(shí)間間隔為n個(gè)打點(diǎn)時(shí)間間隔，如果取n =5，則對(duì)頻率為50 Hz的交流電可知T=0.1 s.當(dāng)然不一定取n =5，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定.

三、描點(diǎn)作圖要求

描點(diǎn)作圖在物理實(shí)驗(yàn)中是必備的技能，通過描點(diǎn)作圖探究相關(guān)規(guī)律，其基本要求是：（1）合理建立坐標(biāo)（如通常盡可能面物理量間的線性圖象），選取恰當(dāng)?shù)臉?biāo)度;（2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確描點(diǎn);（3）依據(jù)描出的點(diǎn)畫平滑的曲線或直線（點(diǎn)應(yīng)盡可能接近圖線，基本均勻分布在曲線或直線的兩側(cè)，個(gè)別偏移圖線較遠(yuǎn)的點(diǎn)應(yīng)去除）.

例2 某實(shí)驗(yàn)小組用圖2甲裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.將一端帶有滑輪的長(zhǎng)金屬軌道水平放置，重物通過輕細(xì)繩水平牽引小車沿軌道運(yùn)動(dòng)，利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶記錄小車的運(yùn)動(dòng).

（1）實(shí)驗(yàn)中，電火花計(jì)時(shí)器應(yīng)使用__________ V交流電源;小車質(zhì)量__________ （選填“需要”或“不需要”）遠(yuǎn)大于重物質(zhì)量.

（2）正確完成一系列實(shí)驗(yàn)操作后，得到了一條紙帶如圖2乙所示，圖中O是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的第一個(gè)點(diǎn)，用刻度尺測(cè)量連續(xù)的計(jì)數(shù)點(diǎn)A、B、C、D、E、F到O點(diǎn)的距離分別是h1、h2、h3、h4、h5、h6.已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)周期為T，則可求出打D點(diǎn)時(shí)小車運(yùn)動(dòng)的速度v_D=__________;小車運(yùn)動(dòng)的加速度a=____（用h4、h5、h6和T表示）.