力學實驗的創新角度

李向陽

(安徽省蒙城第一中學)

力學實驗相比電學實驗更加靈活多變,命題更加注重創新,本文從利用手機等科技產品、改變實驗器材、多個實驗目的重組等角度談力學實驗的創新.

1 利用手機等科技產品

利用手機中的各種傳感器,可以直接測量速度、加速度、磁感應強度等物理量,也可以通過手機的拍照功能得到物體的運動軌跡,從而研究物體運動的速度、加速度等物理量.

例1如圖1所示,輕繩跨過光滑定滑輪,一端與小車相連,另一端與手機相連,刻度尺豎直固定在手機一側.打開手機的頻閃拍照功能并由靜止釋放手機,手機下落過程中拍攝到一組照片,其中三幅相鄰的照片中心分別對應在刻度尺上的a、b、c位置,如圖2所示.已知小車質量為M,手機頻閃拍照周期為T,則( ).

圖1

圖2

B.手機拍b位置時的速度為

D.因沒有考慮小車受到的摩擦力,測量的手機質量會偏小

點評本題利用手機拍照的功能得到手機在不同時刻的速度,進而得到手機下落的加速度.我們的生活已經離不開手機,手機的許多功能不僅能方便我們的學習和生活,而且有些功能具有進行實驗的可操作性.利用手機進行實驗已經全面進入考題,是物理實驗的創新點.

2 改變實驗器材探究物理實驗

通過科技手段使用更精準的儀器代替傳統儀器進行測量,既提高了實驗效率,減小了實驗誤差,又能從更多角度對實驗進行創新.

例2某同學設計了如圖3所示的裝置來驗證機械能守恒定律,豎直桿豎直固定在M、N兩點,在桿上固定一個量角器,并在量角器的圓心處固定一個力傳感器,一根細線上端連接在力傳感器上,下端系在小球上.

圖3

實驗步驟如下:

①拉起小球,使細線與豎直方向成一個角度,由靜止釋放小球,使小球在豎直平面內做圓周運動;

②記錄小球運動到最低點時力傳感器的最大示數F;

③重復以上實驗步驟.

(1)該同學練習使用游標卡尺測量小球直徑d時,游標卡尺的示數如圖4 所示,則d＝_________mm.

圖4

(2)關于該實驗,下列說法正確的有________.

A.可以直接用彈簧測力計代替力傳感器進行實驗

B.細線要選擇非彈性的

C.小球盡量選擇密度大的

(3)實驗中沒有提供天平等可以測量質量的實驗器材,為完成實驗,需要記錄小球在豎直方向上靜止時_________.

(4)為完成實驗,還需要測量的物理量有_________.

A.釋放小球時細線偏離豎直方向的角度θ

B.小球從釋放到運動至最低點的時間t

C.細線長L

(5)需要驗證機械能守恒定律的表達式為_________(用已知量和測量量的符號表示).

(6)實驗中發現,小球擺到另一側偏離豎直方向的角度略小于初始釋放位置偏離豎直方向的角度,其原因可能是________.

解析(1)游標卡尺的讀數為d＝10mm＋4×0.1 mm＝10.4mm.

(2)彈簧測力計代替力傳感器進行實驗時,由于細線不斷擺動,不方便進行讀數與記錄,故選項A 錯誤;細線要選擇非彈性細線,避免擺長發生變化,故選項B正確;小球盡量選擇密度大的,以減小空氣阻力的影響,故選項C正確.

(4)由(3)分析知,為完成實驗,還需要測量的物理量有釋放小球時細線偏離豎直方向的角度θ.

(5)由(3)分析知,需要驗證機械能守恒的表達式為F＝3F0-2F0cosθ.

(6)小球擺到另一側偏離豎直方向的角度略小于初始釋放位置偏離豎直方向的角度,其原因可能是小球運動過程中存在空氣阻力.

點評做圓周運動的物體在最低點利用拉力傳感器測速度是本題的創新點.本題給出了一般角度下,驗證機械能守恒定律需要滿足的規律,也可設置特殊角度下,如θ＝90°時,驗證機械能守恒定律需要滿足的規律.

3 多個實驗目的的組合

一個力學裝置可以達成多個實驗目的,物理命題常常圍繞一個裝置,實現多個實驗目的,即最大限度地挖掘裝置的功能,在實現裝置不變的情況下,達成多個實驗目的,也稱組合型的創新.

例3某同學利用圖5所示裝置,驗證以下兩個規律:

圖5

①兩物塊通過不可伸長的細繩相連接,沿繩分速度相等;

②系統機械能守恒.

P、Q、R是三個完全相同的物塊,P、Q用細繩連接,放在水平氣墊桌上,物塊R與輕質滑輪連接,放在正中間,a、b、c代表三個光電門,調整三個光電門的位置,能實現同時遮光,整個裝置無初速度釋放.

(1)為了能完成實驗目的,除了記錄P、Q、R三個遮光片的遮光時間t1、t2、t3外,還必須測量的物理量有_________.

A.P、Q、R的質量M

B.兩個定滑輪的距離d

C.R的遮光片到c的距離H

D.遮光片的寬度x

(2)根據裝置可以分析出P、Q的速度大小相等,需要驗證的表達式為_________.

(3)若要驗證物塊R與物塊P沿繩分速度相等,則驗證表達式為_________.

(4)若已知當地重力加速度g,則驗證系統機械能守恒的表達式為_________.

解析(1)驗證系統機械能守恒,需驗證的表達式為,物塊質量可約去,對實驗結果沒有影響,不需要測量,選項A 錯誤;設兩滑輪間距為d,物塊R與輕質滑輪連接,放在正中間,物塊R沿兩繩的分速度均為v＝,此即P、Q的速度,兩滑輪間距d需要測量,選項B 正確;根據選項A 可知,需要測量R的遮光片到c的距離H,選項C 正確;根據選項A 可知,需要測量三個物塊的速度,由可知,需要測量遮光片的寬度x,選項D 正確.

(2)若P、Q的速度大小相等,由(1)可知,需要驗證t1＝t2.

點評本裝置達成了三個實驗目的:驗證了P、Q的速度大小相等、驗證了物塊R與物塊P的沿繩分速度相等、驗證系統機械能守恒.實驗目的不同時,需要測量的物理量是不同的,同一裝置,達到不同的實驗目的是實驗創新的命題點.

通過上述分析可以看出,突破力學創新實驗,我們要在平時多觀察,多思考,多挖掘裝置的各種功能,并注意實驗原理的學習.掌握基本實驗是前提,靈活運用物理規律是關鍵,融會貫通物理實驗原理是核心.

(完)