甘肅 田長(zhǎng)軍

力學(xué)實(shí)驗(yàn)是每年高考必考的內(nèi)容，從歷年高考力學(xué)實(shí)驗(yàn)題來(lái)看，都是源于教材而高于教材的，也就是說(shuō)，在教材原型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了各個(gè)方向的拓展。只有夯實(shí)教材實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，才能提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)拓展能力，進(jìn)而培養(yǎng)和提升學(xué)生科學(xué)探究的核心素養(yǎng)。

一、教材原型實(shí)驗(yàn)

(一)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

1.學(xué)會(huì)利用控制變量法研究物理規(guī)律；

2.探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系；

3.學(xué)會(huì)利用圖象法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法。

(二)實(shí)驗(yàn)原理

1.保持質(zhì)量不變，探究加速度跟合外力的關(guān)系；

2.保持合外力不變，探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系；

(三)實(shí)驗(yàn)器材

小車(chē)、砝碼、小盤(pán)、細(xì)繩、一端附有定滑輪的長(zhǎng)木板、墊木、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、低壓交流電源、導(dǎo)線兩根、紙帶、天平、米尺。

(四)實(shí)驗(yàn)步驟

1.測(cè)量：用天平測(cè)量小盤(pán)和砝碼的總質(zhì)量m′和小車(chē)的質(zhì)量m；

2.安裝：按照如圖1所示裝置把實(shí)驗(yàn)器材安裝好，只是不把懸掛小盤(pán)的細(xì)繩系在小車(chē)上(即不給小車(chē)牽引力)；

圖1

3.平衡摩擦力：在長(zhǎng)木板不帶定滑輪的一端下面墊上一塊薄木塊，使小車(chē)能勻速下滑；

4.操作：

(1)小盤(pán)通過(guò)細(xì)繩繞過(guò)定滑輪系于小車(chē)上，先接通電源后放開(kāi)小車(chē)，斷開(kāi)電源，取下紙帶并對(duì)所打出的點(diǎn)編號(hào)碼；

(2)保持小車(chē)的質(zhì)量m不變，改變小盤(pán)和砝碼的總質(zhì)量m′，重復(fù)步驟(1)；

(3)在每條紙帶上選取一段點(diǎn)位間距均勻的部分，測(cè)加速度a；

(4)描點(diǎn)作圖，作a-F的圖象；

(五)注意事項(xiàng)

1.平衡摩擦力時(shí)，適當(dāng)墊高長(zhǎng)木板的右端，使小車(chē)的重力沿斜面方向的分力恰好平衡小車(chē)和紙帶受到的阻力。在平衡摩擦力時(shí)，不要把懸掛小盤(pán)的細(xì)繩系在小車(chē)上，讓小車(chē)?yán)┻^(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶勻速運(yùn)動(dòng)；

2.實(shí)驗(yàn)時(shí)，改變拉力或小車(chē)質(zhì)量后，每次開(kāi)始時(shí)小車(chē)應(yīng)盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，并應(yīng)先接通電源，后釋放小車(chē)，且應(yīng)在小車(chē)到達(dá)滑輪前按住小車(chē)；

(六)數(shù)據(jù)處理方法

1.利用Δx=aT2及逐差法求a；

2.以a為縱坐標(biāo)，F(xiàn)為橫坐標(biāo)，根據(jù)各組數(shù)據(jù)描點(diǎn)，如果這些點(diǎn)在一條過(guò)原點(diǎn)的直線上，說(shuō)明a與F成正比；

(七)對(duì)教材原型實(shí)驗(yàn)拓展的幾點(diǎn)思考

1.本實(shí)驗(yàn)的主要目的是探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，也可以通過(guò)同一套實(shí)驗(yàn)裝置，稍做變動(dòng)即可以驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律、測(cè)量動(dòng)摩擦因數(shù)和測(cè)量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?，從而在?shí)驗(yàn)?zāi)康纳线M(jìn)行拓展。

2.本實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用圖象法和化曲為直的科學(xué)方法探究一個(gè)物理量與另一個(gè)物理量的關(guān)系，借鑒這種處理方法，可以探究其他物理量與物理量之間的關(guān)系，即可以在數(shù)據(jù)處理方法上進(jìn)行拓展；

3.本實(shí)驗(yàn)用到的重要器材有一端附有定滑輪的長(zhǎng)木板和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器。打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在本實(shí)驗(yàn)中的作用是間接測(cè)量小車(chē)的加速度，也可以利用頻閃照相、光電門(mén)計(jì)時(shí)器和力傳感器等器材來(lái)間接測(cè)量加速度，在實(shí)驗(yàn)器材上進(jìn)行了拓展。

二、對(duì)原型實(shí)驗(yàn)的拓展

(一)實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐卣?/h3>

1.測(cè)量動(dòng)摩擦因數(shù)

【例1】某同學(xué)利用圖2甲所示的裝置測(cè)定滑塊與桌面間的動(dòng)摩擦因數(shù)。實(shí)驗(yàn)中，鉤碼通過(guò)輕繩拉著滑塊在水平桌面上做直線運(yùn)動(dòng)，鉤碼著地后滑塊繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打下一系列的點(diǎn)。取鉤碼著地后滑塊繼續(xù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)應(yīng)的一段紙帶，用刻度尺測(cè)出紙帶部分相鄰計(jì)時(shí)點(diǎn)的間距如圖2乙所示。已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所接交流電源的頻率為50 Hz，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹?.80 m/s2?；卮鹣铝袉?wèn)題：

甲

乙

(1)打點(diǎn)時(shí)紙帶的________(填“A”或“B”)端靠近滑塊；

(2)滑塊與桌面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為_(kāi)_______(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)；

(3)由實(shí)驗(yàn)測(cè)定的動(dòng)摩擦因數(shù)________(填“大于”“等于”或“小于”)真實(shí)值。

【解析】(1)滑塊先做勻加速運(yùn)動(dòng)，在鉤碼著地后做勻減速運(yùn)動(dòng)，在勻減速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，相同時(shí)間內(nèi)兩點(diǎn)間距離越來(lái)越小，故B端靠近滑塊。

(2)利用逐差法計(jì)算可知

(3)滑塊做勻減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，除了受到桌面的摩擦力外，還受到紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器間的阻力f紙，由μ真mg+f紙=ma知，μ>μ真，即測(cè)定的動(dòng)摩擦因數(shù)大于真實(shí)值。

2.驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律

【例2】(原創(chuàng))某組同學(xué)設(shè)計(jì)了“探究加速度a與物體所受合外力F及質(zhì)量m的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)。如圖3甲所示為實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖，A為小車(chē)，B為電火花計(jì)時(shí)器，C為裝有細(xì)砂的小桶，D為一端帶有定滑輪的長(zhǎng)方形木板。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，某同學(xué)想用僅有的這套實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。

甲

乙

(1)要用“探究加速度a與物體所受合外力F及質(zhì)量m的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，小車(chē)與水平面間有摩擦力，嚴(yán)格來(lái)講，機(jī)械能不守恒，要削弱因摩擦力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，應(yīng)該__________；

(2)在第(1)問(wèn)的要求下，打開(kāi)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源開(kāi)關(guān)，釋放小桶，打出一條紙帶，如圖3乙所示。取OB段紙帶驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，已知OA、OB、OC的距離分別為x1、x2、x3，交流電的頻率為f，用給出的物理量寫(xiě)出驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的表達(dá)式__________。

【解析】(1)小車(chē)質(zhì)量m遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小桶和細(xì)砂的總質(zhì)量M，且盡可能選擇更光滑的長(zhǎng)木板。

【點(diǎn)評(píng)】教材實(shí)驗(yàn)“探究加速度a與物體所受合力F及質(zhì)量m的關(guān)系”，要使小車(chē)所受的拉力等于小桶和細(xì)砂的總重力，所以應(yīng)滿足的條件是小桶和細(xì)砂的總質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小車(chē)的質(zhì)量。而在本實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生一定要驗(yàn)證機(jī)械能守恒，應(yīng)盡可能削弱摩擦力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的的影響，需使小桶和細(xì)砂的總質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小車(chē)的質(zhì)量。

3.測(cè)量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?/p>

【例3】(原創(chuàng))某同學(xué)利用如圖4所示的裝置測(cè)量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣龋虢柚垘в?jì)算出小車(chē)的加速度a，用天平秤出小車(chē)的質(zhì)量為M，小桶和細(xì)砂的質(zhì)量為m。

圖4

(1)本實(shí)驗(yàn)中________(填“需要”或“不需要”)平衡摩擦力。

(2)用上述給出的物理量寫(xiě)出測(cè)量重力加速度的表達(dá)式__________。

【解析】(1)本實(shí)驗(yàn)中不知道小車(chē)與長(zhǎng)木板之間的摩擦力大小，故要消除摩擦力對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，需要平衡摩擦力。

(二)科學(xué)思維方法和數(shù)據(jù)處理方法的拓展

1.探究動(dòng)能定理

【例4】(2017年北京卷第21題)如圖5所示，用質(zhì)量為m的重物通過(guò)滑輪牽引小車(chē)，使它在長(zhǎng)木板上運(yùn)動(dòng)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上記錄小車(chē)的運(yùn)動(dòng)情況。利用該裝置可以完成“探究動(dòng)能定理”的實(shí)驗(yàn)。

圖5

(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用的電源是________(選填選項(xiàng)前的字母)。

A.直流電源 B.交流電源

(2)實(shí)驗(yàn)中，需要平衡摩擦力和其他阻力，正確操作方法是________(選填選項(xiàng)前的字母)。

A.把長(zhǎng)木板右端墊高 B.改變小車(chē)的質(zhì)量

在不掛重物且________(選填選項(xiàng)前的字母)的情況下，輕推一下小車(chē)。若小車(chē)拖著紙帶做勻速運(yùn)動(dòng)，表明已經(jīng)消除了摩擦力和其他阻力的影響。

A.計(jì)時(shí)器不打點(diǎn) B.計(jì)時(shí)器打點(diǎn)

(3)接通電源，釋放小車(chē)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打下一系列點(diǎn)，將打下的第一個(gè)點(diǎn)標(biāo)為O。在紙帶上依次取A、B、C……若干個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，已知相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔為T(mén)，測(cè)得A、B、C……各點(diǎn)到O點(diǎn)的距離為x1、x2、x3……，如圖6所示。

圖6

實(shí)驗(yàn)中，重物質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車(chē)質(zhì)量，可認(rèn)為小車(chē)所受的拉力大小為mg，從打O點(diǎn)到打B點(diǎn)的過(guò)程中，拉力對(duì)小車(chē)做的功W=________，打B點(diǎn)時(shí)小車(chē)的速度v=________。

(4)以v2為縱坐標(biāo)，W為橫坐標(biāo)，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出如圖7所示的v2-W圖象。由此圖象可得v2隨W變化的表達(dá)式為_(kāi)_______。根據(jù)功與能的關(guān)系，動(dòng)能的表達(dá)式中可能包含v2這個(gè)因子，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的單位關(guān)系，與圖線斜率有關(guān)的物理量應(yīng)是________。

圖7

(5)假設(shè)已經(jīng)完全消除了摩擦力和其他阻力的影響，若重物質(zhì)量不滿足遠(yuǎn)小于小車(chē)質(zhì)量的條件，則從理論上分析，圖中正確反映v2-W關(guān)系的是________。

A

B

C

D

【解析】(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用交流電源。

(2)平衡摩擦力的方法為將木板一端墊高，使得重力沿木板方向的分力與摩擦力和其他阻力平衡，使小車(chē)做勻速直線運(yùn)動(dòng)；判斷小車(chē)做勻速直線運(yùn)動(dòng)是根據(jù)紙帶上相鄰點(diǎn)間的距離相等判定，故需計(jì)時(shí)器打點(diǎn)。

(三)實(shí)驗(yàn)器材拓展

1.傳感器

【例5】利用力傳感器“探究加速度與合外力的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示。

圖8

(1)下列關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的說(shuō)法，錯(cuò)誤的是________。

A.做實(shí)驗(yàn)之前必須平衡摩擦力

B.小車(chē)的質(zhì)量必須比所掛鉤碼的質(zhì)量大得多

C.應(yīng)調(diào)節(jié)定滑輪的高度使細(xì)線與木板平行

D.為了實(shí)驗(yàn)安全，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接直流電源

(2)從實(shí)驗(yàn)中挑選一條點(diǎn)跡清晰的紙帶，每5個(gè)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，用刻度尺測(cè)量計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離如圖9所示。已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器每間隔0.02 s打一個(gè)點(diǎn)。

圖9

從圖可知A、B兩點(diǎn)間的距離s1=________cm；該小車(chē)的加速度a=________m/s2(計(jì)算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)，實(shí)驗(yàn)中紙帶的________(填“左”或“右”)端與小車(chē)相連接。

(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)系中作出了如圖10所示的a-F圖象。

①圖線不過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的原因是__________。

②小車(chē)和傳感器的總質(zhì)量為_(kāi)_______kg。

【解析】(1)做實(shí)驗(yàn)之前必須平衡摩擦力，使得細(xì)線的拉力大小等于小車(chē)受到的合外力，選項(xiàng)A正確；由于實(shí)驗(yàn)中用到了力傳感器，所以沒(méi)有必要使小車(chē)的質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼的質(zhì)量，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；應(yīng)調(diào)節(jié)定滑輪的高度使細(xì)線與木板平行，選項(xiàng)C正確；打點(diǎn)計(jì)時(shí)器必須用交流電源，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。

(3)①由圖象可知，當(dāng)F≠0時(shí)，加速度仍然為零，說(shuō)明沒(méi)有平衡摩擦力，或平衡摩擦力不足。

【點(diǎn)評(píng)】如果用傳感器準(zhǔn)確測(cè)出力的大小，繩子的拉力無(wú)需用重物的重量來(lái)代替，也就無(wú)需平衡摩擦力。

2.光電門(mén)計(jì)時(shí)器

【例6】某同學(xué)用如圖11甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置探究加速度與力的關(guān)系。他在氣墊導(dǎo)軌旁安裝了一個(gè)光電門(mén)B，滑塊上固定一遮光條，滑塊用細(xì)線繞過(guò)氣墊導(dǎo)軌左端的定滑輪與力傳感器相連，力傳感器可直接測(cè)出細(xì)線中拉力大小，傳感器下方懸掛鉤碼。改變鉤碼數(shù)量，每次都從A處由靜止釋放滑塊。已知滑塊(含遮光條)總質(zhì)量為M，導(dǎo)軌上遮光條位置到光電門(mén)位置的距離為L(zhǎng)。請(qǐng)回答下面相關(guān)問(wèn)題。

甲

乙

(1)如圖11乙所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)用游標(biāo)卡尺測(cè)得遮光條的寬度為d=________cm。某次實(shí)驗(yàn)中，由數(shù)字毫秒計(jì)記錄遮光條通過(guò)光電門(mén)的時(shí)間為t，由力傳感器記錄對(duì)應(yīng)的細(xì)線拉力大小為F，則滑塊運(yùn)動(dòng)的加速度大小應(yīng)表示為a=________(用題干已知物理量和測(cè)得物理量字母表示)。

(2)下列實(shí)驗(yàn)要求中不必要的是________。

A.應(yīng)使滑塊質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼和力傳感器的總質(zhì)量

B.應(yīng)使遮光條位置與光電門(mén)間的距離適當(dāng)大些

C.應(yīng)將氣墊導(dǎo)軌調(diào)節(jié)至水平

D.應(yīng)使細(xì)線與氣墊導(dǎo)軌平行

(2)拉力是直接通過(guò)傳感器測(cè)量的，故與滑塊質(zhì)量和鉤碼質(zhì)量大小關(guān)系無(wú)關(guān)，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤。應(yīng)使遮光條位置與光電門(mén)間的距離適當(dāng)大些，有利于減小誤差，故選項(xiàng)B正確；應(yīng)將氣墊導(dǎo)軌調(diào)節(jié)水平，才能使拉力等于合力，故選項(xiàng)C正確；要保持細(xì)線方向與氣墊導(dǎo)軌平行，拉力才等于合力，故選項(xiàng)D正確。本題選擇不必要的，故選A。

【點(diǎn)評(píng)】在探究加速度與力的關(guān)系中，安裝了光電門(mén)計(jì)時(shí)器，可以代替打點(diǎn)計(jì)時(shí)器間接測(cè)量小車(chē)的加速度，我們也可用頻閃照相的方法間接測(cè)量小車(chē)的加速度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)器材的拓展；若光電門(mén)計(jì)時(shí)器配套有氣墊導(dǎo)軌，則無(wú)需平衡摩擦力。

三、結(jié)語(yǔ)