高一上學期實驗學習應注意的問題

李樹祥

物理學是以實驗為基礎的科學，要學好物理就必須做好實驗。同學們在高一上學期的學習過程中接觸到的實驗主要有“用打點計時器測速度”“探究小車速度隨時間變化的規律”“探究求合力的方法”“探究加速度與力、質量的關系”。學習這些實驗，我們需要注意哪些問題呢？

一、實驗儀器

做實驗之前，必須先了解各個實驗儀器的作用及使用方法，這樣我們才能根據不同的實驗要求選擇合適的實驗儀器完成實驗操作。在高一上學期的學習過程中，同學們需要掌握的實驗儀器主要是打點計時器和彈簧測力計。打點計時器是一種計時儀器，它的作用是通過在紙帶上打點計時來得出位移和時間，打點的頻率與所接交流電源的頻率相同，一般為50 Hz、周期為0.02 s。打點計時器主要有電磁打點計時器和電火花計時器兩種，電磁打點計時器是靠電磁帶動振針上下振動通過復寫紙在運動的紙帶上打點，電火花計時器是靠計時器發出的脈沖電流產生火花放電蒸發墨粉在運動的紙帶上打點。彈簧測力計是一種測力的大小的工具，主要由彈簧、掛鉤、刻度盤構成。

使用打點計時器時需要注意的問題主要有：（1）要把打點計時器固定在實驗桌上;（2）使用電磁打點計時器時，要在通電以前把紙帶穿過限位孔，把復寫紙壓在紙帶上，把電磁打點計時器的兩個接線柱用導線分別與工作電壓低于6V的交流學生電源的接線柱相連接;使用電火花計時器時，要使墨粉紙盤套在紙盤軸上，將兩條紙帶穿過限位孔，使墨粉紙盤在兩條紙帶之間，把計時器上的電源插頭插在220 V交流電源插座上;（3）先通電等待l s-2 s，后拖動或釋放物體;（4）打點后切斷電源，取下紙帶，再取2-3條紙帶，重復前面的步驟;（5）選取點跡清晰的紙帶，對測量點編號，數點計時，用刻度尺測量距離，記錄數據，保留紙帶。

使用彈簧測力計時需要注意的問題主要有：（1）應先將彈簧測力計水平放置，再檢查、矯正零點;（2）彈簧測力計的讀數比較簡單，但一定要先弄清彈簧測力計的量程和分度值，再根據指針所指的位置（一定要看指針末端所指的位置）讀出所測量力的大小，并注意估讀;（3）讀數時，視線要正對刻度，使用彈簧測力計測拉力時，拉力必須沿彈簧測力計的軸線方向。

例1 （2011年高考浙江卷）在“探究加速度與力、質量的關系”實驗時，已提供了小車，一端附有定滑輪的長木板、紙帶、帶小盤的細線、刻度尺、天平、導線。為了完成實驗，還須從圖1中選取實驗器材，其名稱是____（漏選或全選得零分）;并分別寫出所選器材的作用____。

解析 為了完成實驗，還需要電磁打點計時器（電火花計時器）用來記錄小車運動的位置和時間;鉤碼用來改變小車的質量;砝碼用來改變小車受到的拉力的大小，還可以用于測量小車的質量。若選電磁打點計時器，則需要學生電源;若選電火花計時器，則不需要學生電源。

例2 橡皮筋的一端固定在A點，另一端拴上兩根細繩，每根細繩分別連著一個量程為5 N、最小刻度為0.1 N的彈簧測力計，沿著兩個不同的方向拉彈簧測力計。當橡皮筋的活動端拉到O點時，兩根細繩的方向如圖2所示。這時彈簧測力計的示數可從圖中讀出。

（1）由圖可讀得兩個分力的大小分別為___N和___ N。

（2）按力的圖示法畫出這兩個力及它們的合力。

（3）作圖法得到的合力為___ N。彈簧測力計c的示數為___ N。

解析 （1）因為彈簧測力計的最小分度為0.1 N，所以讀得兩個分力的大小分別為Fa=3. 50 N，Fb=4.00 N。

（2）取如圖3所示的1 cm長表示1.0 N，則可得出Fa、Fb的長度，再由圖2得出兩力的方向，作出平行四邊形，則其對角線的長度表示合力的大小，對角線箭頭的指向表示合力的方向，故這兩個力及它們的合力的圖示如圖3所示。

（3）根據合力的圖示得F=4.60 N（在4. 50 N-4.80 N范圍內均可），由圖2讀得彈簧測力計c的示數為4. 50 N。

二、實驗步驟

實驗步驟主要包括安裝儀器、開始測量、處理數據、整理儀器。如“探究求合力的方法”實驗步驟是：（1）用圖釘把一張白紙釘在水平桌面上的方板上;（2）用圖釘把橡皮條的一端固定在A點，將橡皮條的另一端拴上兩個細繩套;（3）用兩只彈簧測力計分別鉤住細繩套，互成角度地拉橡皮條，使橡皮條伸長，結點到達o點，用鉛筆記下O點的位置及兩條細繩套的方向，并分別記錄兩彈簧測力計的讀數F1和F2;（4）用鉛筆和刻度尺從力的作用點（位置O）沿兩條細繩套的方向畫直線，按選定的標度作出F1、F2的圖示，然后以F1、F2為鄰邊用刻度尺和三角板作平行四邊形，過O點畫平行四邊形的對角線，即為合力F的圖示;（5）只用一只彈簧測力計，通過細繩套把橡皮條的結點拉到同樣的位置O，記下細繩套的方向和彈簧測力計的讀數F'，用刻度尺從O點按選定的（相同）標度沿記錄的方向作出F'的圖示;（6）比較力F'與用平行四邊形定則求出的合力F的大小和方向，看二者在實驗誤差允許的范圍內是否相同;（7）改變兩力F1、F2的大小和方向，重復實驗兩次，根據實驗結果得出結論。再如“探究加速度與力、質量的關系”實驗，可以用不同的方法，但基本步驟是：（1）測質量，即用天平測出小車和重物的質量M和m，并記錄;（2）安裝器材，即把帶有定滑輪的長木板放在實驗桌上，并使定滑輪伸出桌面，把打點計時器固定在長木板上沒有定滑輪的一端，連接好電路，再把一條細繩拴在小車上，將細繩跨過定滑輪;（3）平衡摩擦力，即在長木板的不帶定滑輪的一端下面墊上一塊薄木板，反復移動其位置，直至不掛重物的小車剛好在斜面上保持勻速運動為止;（4）將重物通過細繩連接在小車上，接通電源放開小車，使小車運動，用紙帶記錄小車的運動情況，取下紙帶，并在紙帶上標上號碼;（5）保持小車的質量不變，改變重物的重力重復步驟（4），每次必須在相應的紙帶上做上標記，列表格將記錄的數據填寫在表格內;（6）建立直角坐標系，用縱坐標表示加速度，橫坐標表示力，用描點法畫出相應的圖像以驗證a與F的關系;（7）保持重物的質量不變，改變小車的質量（在小車上增減砝碼），重復步驟（4）驗證a與M的關系。

例3 在“探究求合力的方法”實驗中，其中的三個實驗步驟如下：

（1）在水平放置的木板上墊一張白紙，把橡皮條的一端固定在木板上，另一端拴兩根細線，通過細線同時用兩個測力計互成角度地拉橡皮條，使它與細線的結點到達某一位置O點，在白紙上記下O點和兩測力計的讀數F1和F2;

（2）在白紙上根據F1和F2的大小，應用平行四邊形定則作圖求出合力F;

（3）只用一只測力計通過細線拉橡皮條，使它的伸長量與兩測力計同時拉時相同，記下此時測力計的讀數F'和細線的方向。

以上三個步驟中均有錯誤或疏漏，請指出來。

解析 步驟（1）中沒有記下F1、F2的方向，步驟（2）中應根據F1、F2的大小和方向作圖，步驟（3）中應將結點拉至同一位置O點。

例4在研究勻變速直線運動的實驗過程中，某同學用一端裝有定滑輪的長木板、小車、打點計時器（頻率為50 Hz）、鉤碼、紙帶、細繩組成如圖4甲所示的裝置，用鉤碼拉動小車，使其做勻變速直線運動，得到如圖4乙所示的一條紙帶，紙帶中相鄰兩個計數點之間有四個點未畫出。

（1）某同學操作實驗的步驟如下，其中有錯誤或不需要的步驟是（ ）。

A.將打點計時器固定在平板上，并接好電路

B.將紙帶固定在小車尾部，并穿過打點計時器的限位孔

C.適當抬高長木板的右端，使不掛鉤碼的情況下，輕推小車，小車能勻速運動

D.把一條細繩拴在小車上，細繩跨過定滑輪，下面吊著適當重的鉤碼

E.將小車移至靠近打點計時器處

F.放開紙帶，再接通電源

（2）用毫米刻度尺測量得圖4乙中各計數點間的距離分別為xAB=3.00 cm、xAC =10.16 cm、xAD =21. 48 cm、xAE=36. 95 cm，則打D點時小車的速度大小為___ m/s，小車的加速度為____ m/s2。（結果保留三位有效數字）

解析 （1）C步驟的目的原本是平衡摩擦力，而由題圖知實驗中小車向右運動，摩擦力的方向是向左的，故應適當抬高長木板的左端，使小車重力沿板面的分力與摩擦力平衡，C錯誤。因為剛接通電源時，打點計時器的工作還不穩定，先釋放紙帶會造成計時誤差，所以應先接通電源，待打點計時器工作穩定后再釋放紙帶，F錯誤。

三、數據處理

1.平均值法：取算術平均值是為了減小偶然誤差而常用的一種數據處理方法。通常在同樣的測量條件下，對于某一物理量進行多次測量的結果不會完全一樣，而用多次測量的算術平均值作為測量結果，可以使得實驗誤差最小。

3.列表法：在實驗中將數據記錄在表格中，可以簡明地顯示出有關物理量之間的關系，便于檢查測量結果和運算結果是否合理，有助于發現和分析問題。列表時應注意表格要直觀地反映有關物理量之間的關系，清楚地展現測量的次數，測得的物理量的名稱及單位，各測量值的有效數字等。

4.圖解法：根據實驗數據通過列表、描點作圖、求斜率和坐標軸上的截距，表示所求未知量的方法。選取適當的自變量，通過作圖可以找到或反映物理量之間的變化關系，并找出其中的規律，確定對應量的函數關系。比如在“驗證牛頓第二定律”的實驗中，為了證明在外力一定時，a與m成反比，若作a-m圖像，則為雙曲線的一支，不易分析結論，若改為作。a-1/m圖像，則可以“化曲為直”，得到一條傾斜直線，比較直觀，容易得出結論。

例5 某同學在做“研究勻變速直線運動”實驗時，由打點計時器得到表示小車運動過程的一條清晰紙帶，如圖5所示，圖中各點是每隔4個點而標出的計數點，打下相鄰兩計數點的時間間隔T=0.10 s，其中S1=7.05 cm、S2=7.68 cm、S3=8.33 cm、S4=8. 95 cm、S5 =9. 61 cm、S 6=10. 26 cm。求打A點時小車的瞬時速度和小車的加速度。（計算結果保留兩位有效數字）

注意：“逐差法”的實質是盡可能選擇靠近兩個端點的兩個清晰點（使s盡可能大），并使其包含的點為奇數，將所選范圍內的點分成兩半，每一半的時間為T，這兩段的距離為sl、s2，再利用As =aT2計算加速度。

例6某同學在“驗證牛頓第二定律”的實驗中，在物體受外力不變時，改變物體的質量，得到數據如表1所示。

（1）根據表中數據，在如圖6所示的坐標中描出相應的實驗數據點，并作出a-m圖像和。a-1/m圖像。

（2）由a-m圖像，你得出的結論為___ 。由。a-1/m圖像，你得出的結論為__ 。

（3）物體受到的合力大約為___ N。（結果保留兩位有效數字）

解析 （1）采用描點法作圖。先根據表格中每組數據，在坐標上描點，再用平滑的曲線將點擬合起來。a-m圖像如圖7甲所示，a-1/m圖像如圖7乙所示。

（2）由a-m圖像可知，在物體受外力不變時，物體的質量越大，它的加速度越小;由a-1/m圖像可知，在物體受外力不變時，物體的

四、誤差分析

任何測量都存在誤差，其中由偶然因素造成的誤差稱為偶然誤差，如儀表讀數時，眼睛的位置一次稍向左偏，另一次可能稍向右偏;由儀器結構缺陷、實驗方法不完善造成的誤差稱為系統誤差，如測量重力加速度時不能消除空氣阻力的影響。實驗中要對誤差進行分析，并采取方法盡量減小誤差。如在“探究小車速度隨時間變化的規律”的實驗中，因為木板粗糙程度的不同會產生系統誤差，所以實驗中應盡量選取粗糙程度均勻的木板;因為位移測量的不準確會造成偶然誤差，所以要選擇點跡清晰的紙帶，并適當舍棄點子密集部分，適當選取計數點（計數點和計時點有區別），應一次測量出各計數點到起始點的距離，讀數時眼睛應正對毫米刻度尺并多次測量取平均值等。再如在“探究求合力的方法”的實驗中，主要誤差來源于讀數、作圖，以及彈簧測力計本身的誤差，因此，實驗前應先檢查彈簧測力計的零點是否準確，在實驗中拉細繩時必須與木板平行，讀數時眼睛一定要正對刻度，按有效數字記錄示數，作圖時要準確，兩個分力F1和F2間的夾角不能太大或太小，這樣即使存在誤差，也是正常的，而不能拼湊數據使實驗非常完美，也不能只用特殊角度而不管其一般性。又如在“探究加速度與力、質量的關系”的實驗中，系統誤差主要來源于把重物的重力看成小車的拉力，以及忽略摩擦力等，而根據該實驗原理知拉力T=mg ·M/M+m因此在每次實驗中均要求小車質量M遠大于重物質量m，還要使細線與木板平行;平衡摩擦力時既不能不足也不能過度等。

例7 （2018年高考江蘇卷）某同學利用如圖8所示的實驗裝置來測量重力加速度g。細繩跨過固定在鐵架臺上的輕質滑輪，兩端各懸掛一只質量為M的重錘。實驗操作如下：

①用米尺量出重錘l底端距地面的高度H;

②在重錘1上加上質量為m的小鉤碼;

③左手將重錘2壓在地面上，保持系統靜止，釋放重錘2，同時右手開啟秒表，在重錘1落地時停止計時，記錄下落時間;

④重復測量3次下落時間，取其平均值作為測量值t。

請回答下列問題：

（1）步驟④可以減小對下落時間t測量的_____（選填“偶然”或“系統”）誤差。

（2）實驗要求小鉤碼的質量m要比重錘的質量M小很多，主要是為了____ 。

A.使H測得更準確

B.使重錘1下落的時間長一些

C.使系統的總質量近似等于2M

D.使細繩的拉力與小鉤碼的重力近似相等

（3）滑輪的摩擦阻力會引起實驗誤差。現提供一些橡皮泥用于減小該誤差，可以怎么做？

（4）使用橡皮泥改進實驗后，重新進行實驗測量，并測出所用橡皮泥的質量為m。。用實驗中的測量量和已知量表示g，得g=___。

解析

（l）時間的測量會因為人為操作快慢和讀數問題而帶來誤差，屬于偶然誤差。

（2）因為自由落體的加速度較大，下落H高度的時間較短，為了減小時間測量的誤差，就要使重錘下落的時間長一些，即系統下降的加速度要小，所以應使小鉤碼的質量m比重錘的質量M小很多。

（3）為了消除滑輪的摩擦阻力，可將橡皮泥粘在重錘l上，輕拉重錘1放手后若系統做勻速運動，則表示平衡了摩擦阻力。

例8 在“探究加速度與力、質量的關系”的實驗中，某同學使用了如圖9所示的裝置，打點計時器的打點頻率為50 Hz。

（1）該同學得到一條紙帶，在紙帶上取連續的六個點A、B、C、D、E、F，如圖10所示，相鄰兩點間的距離分別為10.0 mm、12.0 mm、14.0 mm、16.0 mm、18.0 mm，則打E點時小車的速度為____ m/s，打A、F兩點的過程中小車的平均速度為__- m/s，小車的加速度為___ m/s2。

（2）該同學要探究小車的加速度a與質量M的關系，應該保持拉力不變，得到多組數據后他應描繪的是 ___（選填“a -M”或“a一1/m）圖像。

（3）該同學通過數據的處理作出了a-F圖像，如圖11所示，則：

①圖中的直線不過原點的原因是

②圖中的直線發生彎曲的原因是 ____

（2）直線是最能直觀、方便地描繪出兩個量之間的關系問題的，因此我們在描述圖像時應盡量獲得直線，即本實驗中需要描繪的是a-1/m圖像。

（3）由a-F圖像可知，小車受到的拉力為0時，小車的加速度大于0，即合外力大于0，說明平衡摩擦力過度;該實驗中當小車的質量遠大于鉤碼的質量時，才能近似認為細線對小車的拉力大小等于砝碼盤和砝碼的總重力大小，隨著F的增大，即隨著鉤碼質量增大，鉤碼的質量不再比小車的質量小得多，因此會出現較大誤差，圖像會產生偏折現象。

編后注：除上述四大方面需要注意的問題之外，同學們還需要明確物理實驗中的實驗原理也是非常重要的。當課本中所學過的物理規律或物理公式中含有某一物理量時，該規律或公式就可作為研究或測定該物理量的實驗原理而進行相應的實驗設計。實驗原理是實驗設計的依據，是設計性實驗的基礎。要研究實驗，只有明確實驗的原理，才能真正掌握實驗的關鍵、操作的要點，進而進行實驗的設計、改造和創新。因為一個物理量可能出現在不同的公式中，所以在研究或測定該物理量時，就可以運用不同的原理，選定不同的器材和步驟進行實驗。同學們在平常的學習中，一定要打好基礎，牢牢掌握物理課程的基本知識和基本規律！

（責任編輯 張巧）