力學實驗中的“打點計時器”

王洪忠

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）04-0177-02

【實驗目的】

1.鞏固了解打點計時器的構造、工作原理和用途。

2.通過打點計時器這一主線使學生掌握：研究勻變速直線運動、驗證牛頓運動定律、探究動能定理、驗證機械能守恒定律等高考力學實驗。

【實驗要求】

《考試說明》中明確規定的物理力學實驗有：研究勻變速直線運動、探究彈力和彈簧伸長的關系、驗證力的平行四邊形定則、驗證牛頓運動定律、探究動能定理、驗證機械能守恒定律。其中有四個實驗與紙帶處理有關，可見力實驗部分以紙帶的處理，打點計時器的應用為核心來展開復習。近幾年力學實驗中與紙帶處理相關的實驗、力學創新實驗是高考的熱點內容，以分組或演示實驗為背景，考查對實驗方法的領悟情況、靈活運用學過的實驗方法設計新的實驗是高考實驗題的新趨勢。要求學生掌握常規實驗的數據處理方法，能將課本中分組實驗和演示實驗原理、實驗方法遷移到新的背景中，深刻理解概念和規律，并能靈活運用，要求學生有較強的創新能力。

在復習過程中，應以掌握常規實驗原理、實驗方法、規范操作程序、數據處理方法等為本，同時從常規實驗中，有意識的、積極的提取、積累一些有價值的方法。逐步過渡到靈活運用學過的實驗方法設計新的實驗。

【實驗器材】打點計時器、低壓交流電源、小車、鉤碼、砝碼、細線、一端固有定滑輪的長木板、帶有鐵夾的鐵架臺、重錘。

【實驗過程】

[實驗一]：研究勻變速直線運動的加速度與瞬時速度

操作一：利用以上所給的器材設計一拖動紙帶做勻變速直線運動的運動模型

問題1：如何利用紙帶判斷物體是否做勻變速運動？

問題2：選擇一條清晰的紙帶計算打不同計數點時的瞬時速度，并計算其加速度。

問題3：若使用小車，則本實驗中需要平衡摩擦力嗎？

操作二：改變物體的加速度，并重新計算其加速度

例1.某同學利用打點計時器所記錄的紙帶來研究做勻變速直線運動小車的運動情況，實驗中獲得一條紙帶，如圖所示，其中兩相鄰計數點間有四個點未畫出。已知所用電源的頻率為50Hz，則打A點時小車運動的速度vA=_____m/s，小車運動的加速度a=_____m/s2。（結果要求保留三位有效數字）

[實驗二]：驗證牛頓運動定律

操作三：利用小車以及以上其他裝置設計一驗證牛頓運動定律的實驗模型

問題4：交流討論實驗設計結果，并簡述實驗操作過程。

操作四：選擇最佳實驗模型，進行操作實驗并記錄實驗數據

問題5：展示實驗結果，并思考此實驗需要平衡摩擦力嗎？

例2.某同學設計了一個探究小車的加速度a與小車所受拉力F及質量m關系的實驗，圖（a）為實驗裝置簡圖（所用交變電流的頻率為50Hz）。

（1）圖（b）為某次實驗得到的紙帶，實驗數據如圖，圖中相鄰計數點之間還有4個點未畫出，根據紙帶可求出小車的加速度大小為——m/s2.（保留三位有效數字）。

（2）保持小車質量不變，改變砂和砂桶質量，一位同學根據實驗數據作出了加速度a隨拉力F的變化圖線如圖所示。該圖線不通過原點，其主要原因是______________。

[實驗三]：探究動能定理

操作五：利用以上裝置設計一探究動能定理的實驗模型

問題6：交流討論實驗設計結果，并簡述實驗操作過程

操作六：選擇最佳實驗模型，進行操作實驗并記錄實驗數據

問題7：展示實驗結果，并思考此實驗需要平衡摩擦力嗎？

例3. 科學規律的發現離不開科學探究，而科學探究可以分為理論探究和實驗探究。下面我們追尋科學家的研究足跡用兩種方法探究恒力做功和物體動能變化間的關系。

Ⅰ.理論探究：

根據牛頓運動定律和有關運動學公式，推導在恒定合外力的作用下，功與物體動能變化間的關系，請在答題紙上對應位置寫出你的推導過程。

Ⅱ.實驗探究：

①某同學的實驗方案如上圖所示，他想用鉤碼的重力表示小車受到的合外力，為了減小這種做法帶來的實驗誤差，你認為在實驗中還應該采取的兩項措施是：

a. ；b. 。

②如下圖所示是某次實驗中得到的一條紙帶，其中A、B、C、D、E、F是計數點，相鄰計數點間的時間間隔為T。距離如圖，則打C點時小車的速度為____；要驗證合外力的功與動能變化間的關系，除位移、速度外，還要測出的物理量有____。

[實驗四]：驗證機械能守恒定律

操作七：利用以上裝置設計一驗證機械能守恒定律的實驗模型

問題8：交流討論實驗設計結果，并簡述實驗操作過程

操作八：選擇最佳實驗模型，進行操作實驗并記錄實驗數據

問題9：展示實驗結果，并進行誤差分析

例4.用如圖所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律，實驗所用的電源為學生電源，輸出電壓為6V的交流電和直流電兩種，重錘從高處由靜止開始下落，重錘上拖著的紙帶打出一系列的點，對紙帶上的點痕進行測量，即驗證機械能守恒定律。下面列舉了該實驗的幾個操作步驟：

A.按照圖示的裝置安裝器件；

B.將打點計時器接到電源的“直流輸出”上；

C.用天平測出重錘的質量；

D.釋放懸掛紙帶的夾子，同時接通電源開關打出一條紙帶；

E.測量紙帶上某些點間的距離；

F.根據測量的結果計算重錘下落過程中減少的重力勢能是否等于增加的動能。

其中沒有必要進行的或者操作不當的步驟是________.

【實驗小結】

解決以上力學系列實驗的關鍵是利用打點計時器打出的紙帶求得紙帶（即與紙帶相連的物體）的速度與加速度，然后代入不同的實驗原理方程，完成實驗目的。