力學分組實驗的回顧與總結

於新泉

高中物理力學分組實驗有：驗證力的平行四邊形定則，研究勻變速直線運動，探究加速度與力、質量的關系，驗證機械能守恒定律.其中有三個實驗常利用打點計時器進行.近幾年力學中相關紙帶處理的實驗、力學創新實驗是高考的熱點內容.在實驗復習中，應以掌握常規實驗原理、方法、規范操作程序、數據處理方法等為根本，靈活運用所學知識、實驗方法遷移到新的背景中，設計新的實驗和解決相關問題.

一、實驗的原理和注意點

1.探究求合力的方法

一個力F的作用效果與兩個共點力F1和F2的共同作用效果都是把橡皮條結點拉伸到某點，則F為F1和F2的合力，作出F的圖示，再根據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在實驗誤差允許范圍內是否大小相等、方向相同，即可得到互成角度的兩個力的合成遵從平行四邊形定則.

實驗中應注意：（1）定位（）點時要力求準確;（2）同一次實驗中，用兩個彈簧秤和只用一個彈簧秤拉橡皮條使結點O必須保持位置不變;（3）用彈簧測力計測拉力時要使拉力沿彈簧測力計軸線方向;（4）應使橡皮條、彈簧測力計和細繩套位于與紙面平行的同一平面內;（5）兩個分力F1、F2間的夾角θ不要太大，也不要太小.（6）在同一次實驗中，選定的標度要相同;（7）嚴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、質量的關系

探究加速度a與力F、質量M的關系時，應用的基本方法是控制變量法，可先控制小車的質量朋不變，探究加速度a與力F的關系;再控制小盤和砝碼的質量不變，即力F不變，改變小車質量M，探究加速度a與質量M的關系.

實驗中應注意：（1）正確做好平衡摩擦力的工作，利用墊塊調節斜面傾角，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，不要把懸掛小盤的細線系在小車上，即不要給小車加任何牽引力，通過調節讓小車拖著打點的紙帶勻速運動;（2）整個實驗平衡了摩擦力后，不管以后是改變小盤和砝碼的總質量還是改變小車和砝碼的總質量，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量遠大于小盤和砝碼的總質量的條件下打出.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）改變拉力和小車質量后，每次開始時小車應盡量靠近打點計時器，并應先接通電源，再放開小車，且應在小車到達滑輪前按住小車.

例1 某小組利用如圖1所示的裝置驗證牛頓第二定律.實驗中，他們先利用墊塊平衡摩擦力，用天平測出小車的總質量，用細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.調節木板上定滑輪的高度，使牽引小車的細線與木板平行.這樣做的目的是

（ ? ?）

A.避免小車在運動過程中發生抖動

B.使打點計時器在紙帶上打出的點跡清晰

C.保證小車最終能夠做勻速直線運動

D.使細線拉力等于小車受到的合力

解析 依據實驗的基本原理，如果細線與木板不平行，需要將細線對小車的拉力進行分解，小車受到的摩擦力也發生變化，細線拉力不再等于小車受到的合力，故本題選D.

3.驗證機械能守恒定律

二、關于紙帶的處理

利用打點計時器的實驗均涉及紙帶，對于紙帶的數據處理必須弄清楚下面幾點：

1.紙帶的選取：一般實驗應選用點跡清晰、無漏點的紙帶中選取有足夠多點的一段作為實驗紙帶.在“驗證機械能守恒定律”實驗中需要用到初速度為零的起點時，還要求紙帶包含打出的第一、二點，且兩點距離接近2.0 mm.

2.根據紙帶上點的密集程度選取計數點.打點計時器每打n個點取一個計數點，則計數點時間間隔為n個打點時間間隔，如果取n =5，則對頻率為50 Hz的交流電可知T=0.1 s.當然不一定取n =5，應根據實際情況而定.

三、描點作圖要求

描點作圖在物理實驗中是必備的技能，通過描點作圖探究相關規律，其基本要求是：（1）合理建立坐標（如通常盡可能面物理量間的線性圖象），選取恰當的標度;（2）根據實驗所測的數據準確描點;（3）依據描出的點畫平滑的曲線或直線（點應盡可能接近圖線，基本均勻分布在曲線或直線的兩側，個別偏移圖線較遠的點應去除）.

例2 某實驗小組用圖2甲裝置驗證機械能守恒定律.將一端帶有滑輪的長金屬軌道水平放置，重物通過輕細繩水平牽引小車沿軌道運動，利用打點計時器和紙帶記錄小車的運動.

（1）實驗中，電火花計時器應使用__________ V交流電源;小車質量__________ （選填“需要”或“不需要”）遠大于重物質量.

（2）正確完成一系列實驗操作后，得到了一條紙帶如圖2乙所示，圖中O是打點計時器打下的第一個點，用刻度尺測量連續的計數點A、B、C、D、E、F到O點的距離分別是h1、h2、h3、h4、h5、h6.已知打點計時器的打點周期為T，則可求出打D點時小車運動的速度v_D=__________;小車運動的加速度a=____（用h4、h5、h6和T表示）.