高中实验 第一讲

1、 高中物理-张老师实验一研究匀变速直线运动一、实验目的1练习正确使用打点计时器，学会利用打上点的纸带研究物体的运动2掌握判断物体是否做匀变速直线运动的方法(xaT2)3测定匀变速直线运动的加速度二、实验原理1打点计时器(1)作用：计时仪器，每隔0.02 s打一次点(2)工作条件(3)纸带上点的意义：表示和纸带相连的物体在不同时刻的位置通过研究纸带上各点之间的距离，可以判断物体的运动情况可以利用纸带上打出的点来确定计数点间的时间间隔2利用纸带判断物体运动状态的方法(1)沿直线运动的物体在连续相等时间内不同时刻的速度分别为v1、v2、v3、v4、，若v2v1v3v2v4v3，则说明物体在相等时间内

2、速度的增量相等，由此说明物体在做匀变速直线运动，即a.(2)沿直线运动的物体在连续相等时间内的位移分别为x1，x2，x3，x4，若xx2x1x3x2x4x3，则说明物体在做匀变速直线运动，且xaT2.3速度、加速度的求解方法(1)“逐差法”求加速度：如图1所示的纸带，相邻两点的时间间隔为T，且满足x6x5x5x4x4x3x3x2x2x1，即a1，a2，a3，然后取平均值，即，这样可使所给数据全部得到利用，以提高准确性(2)“平均速度法”求速度：得到如图2所示的纸带，相邻两点的时间间隔为T，n点的瞬时速度为vn.即vn.图2(3) “图象法”求加速度，即由“平均速度法”求出多个点的速度，画出vt

3、图象，直线的斜率即加速度三、实验器材电火花计时器(或电磁打点计时器)，一端附有定滑轮的长木板、小车、纸带、细绳、钩码、刻度尺、导线、电源、复写纸片四、实验步骤1仪器安装(1)把附有滑轮的长木板放在实验桌上，并使滑轮伸出桌面，把打点计时器固定在长木板上没有滑轮的一端，连接好电路(2)把一条细绳拴在小车上，细绳跨过定滑轮，下边挂上合适的钩码，把纸带穿过打点计时器，并把它的一端固定在小车的后面实验装置见图3所示，放手后，看小车能否在木板上平稳地加速滑行图32测量与记录(1)把小车停在靠近打点计时器处，先接通电源，后放开小车，让小车拖着纸带运动，打点计时器就在纸带上打下一系列的点，换上新纸带，重复三次

4、(2)从三条纸带中选择一条比较理想的，舍掉开头一些比较密集的点，从后边便于测量的点开始确定计数点，为了计算方便和减小误差，通常用连续打点五次的时间作为时间单位，即T0.1 s正确使用毫米刻度尺测量每相邻两计数点间的距离，并填入设计的表格中(3)利用某一段时间的平均速度等于这段时间中间时刻的瞬时速度求得各计数点的瞬时速度(4)增减所挂钩码数，再重复实验两次3数据处理及实验结论(1)由实验数据得出vt图象图4根据表格中的v、t数据，在平面直角坐标系中仔细描点，如图4 所示可以看到，对于每次实验，描出的几个点都大致落在一条直线上作一条直线，使同一次实验得到的各点尽量落到这条直线上，落不到直线上的点，

5、应均匀分布在直线的两侧，这条直线就是本次实验的vt图象，它是一条倾斜的直线图5(2)由实验得出的vt图象进一步得出小车运动的速度随时间变化的规律，有两条途径进行分析 分析图象的特点得出：小车运动的vt图象是一条倾斜的直线如图5所示，当时间增加相同的值t时，速度也会增加相同的值v，由此得出结论：小车的速度随时间均匀变化通过函数关系进一步得出：既然小车的vt图象是一条倾斜的直线，那么v随t变化的函数关系式为vktb，显然v与t成“线性关系”，小车的速度随时间均匀变化五、注意事项1交流电源的电压及频率要符合要求2实验前要检查打点计时器打点的稳定性和清晰程度，必要时要调节振针的高度和更换复写纸3开始释

6、放小车时，应使小车靠近打点计时器4先接通电源，打点计时器工作后，再放开小车，当小车停止运动时及时断开电源5要区别打点计时器打出的计时点与人为选取的计数点，一般在纸带上每隔四个计时点取一个计数点，即时间间隔为T0.02×5 s0.1 s.6小车另一端挂的钩码个数要适当，避免因速度过大而使纸带上打的点太少，或者速度太小，使纸带上的点过于密集7选择一条理想的纸带，是指纸带上的点迹清晰适当舍弃开头密集部分，适当选取计数点，弄清楚相邻计数点间所选的时间间隔T. 8测x时不要分段测量，读数时要注意有效数字的要求，计算a时要注意用逐差法，以减小误差考点一完善实验步骤例1在“测定匀变速直线运动的加速

7、度”的实验中，某同学的操作步骤如下，其中错误的步骤有_A拉住纸带，将小车移到靠近打点计时器处先放开纸带，再接通电源B将打点计时器固定在平板上，并接好电源C把一条细绳拴在小车上，细绳跨过定滑轮，下面挂上合适的钩码D取下纸带E将平板一端抬高，轻推小车，使小车能在平板上做加速运动F将纸带固定在小车尾部，并穿过打点计时器的限位孔_将以上步骤完善并填写在横线上(遗漏的步骤可编上序号G、H)；实验步骤的合理顺序为：_.例1ADG换上新纸带重复实验三次BEFCADG考点二纸带数据的处理例2(2010·广东理综·34(1)如图6是某同学在做匀变速直线运动实验中获得的一条纸带图6(1)已知打

8、点计时器电源频率为50 Hz，则纸带上打相邻两点的时间间隔为_(2)ABCD是纸带上四个计数点，每两个相邻计数点间有四个点没有画出，从图中读出A、B两点间距x_；C点对应的速度是_(计算结果保留三位有效数字)例2(1)0.02 s(2)0.70 cm0.100 m/s图7例3某同学为了探究物体在斜面上运动时摩擦力与斜面倾角的关系，设计实验装置如图7.长直平板一端放在水平桌面上，另一端架在一物块上在平板上标出A、B两点，B点处放置一光电门，用光电计时器记录滑块通过光电门时挡光的时间实验步骤如下：用游标卡尺测量滑块的挡光长度d，用天平测量滑块的质量m；用直尺测量A、B之间的距离s，A点到水平桌面的

9、垂直距离h1，B点到水平桌面的垂直距离h2；将滑块从A点静止释放，由光电计时器读出滑块的挡光时间t； 重复步骤数次，并求挡光时间的平均值；利用所测数据求出摩擦力Ff和斜面倾角的余弦值cos ；多次改变斜面的倾角，重复实验步骤，作出Ffcos 关系曲线(1)用测量的物理量完成下列各式(重力加速度为g)；斜面倾角的余弦cos _；滑块通过光电门时的速度v_；滑块运动时的加速度a_；滑块运动时所受到的摩擦阻力Ff_.(2)测量滑块挡光长度的游标卡尺读数如图8所示，读得d_.图8例3(1)mgm(2)3.62 cm实验二 牛顿第二定律的验证实验目的1、学习气垫导轨的调节与使用；2、熟悉光电门、数字计时

10、器的使用；3、研究力、质量和加速度之间的关系，验证牛顿第二定律。实验仪器气垫导轨，数字计时器或电脑通用计数器，托盘天平，微音洁净气泵等。实验原理验证性实验都是在某一理论结果已知的条件下进行的,所谓验证是指实验的结果和理论结果完全一致，但这种一致实质上是在实验装置、方法存在误差范围内的一致，若实验结果与理论结果之差超出了实验误差的范围，则不能说验证了理论的正确性，此时或者否定验证方法的可靠性，或者怀疑理论本身的正确性，但无论怎样由一次实验或一种实验装置得出这种结论都是非常困难的，要做大量的对比实验才能得到科学正确的结论，切不可草率地下结论即使实验结果与理论结果之差在实验的误差之内，也不能武断地认

11、为一定验证了理论的正确性往往随着实验水平的提高而发现了理论上的不足之处，从而推动了理论工作的不断发展因此验证性实验是属于难度很大的一类实验验证性实验可分两大类：一是直接验证，一是间接验证本实验属于直接验证，所谓直接验证是对理论所涉及的物理量都能在实验中直接测定，并能研究它们之间的定量关系牛顿第二定律指出，对于一定质量的物体，其所受的合外力F和物体所获得的加速度之间存在如下关系： （2-3-1）为了研究问题的方便，实验分两步进行：当保持物体的质量不变时，研究加速度与合外力之间关系；当保持物体所受的合外力不变时，研究加速度与物体质量之间关系。图2-3-1取滑块质量为，砝码和托盘的质量为，细线（不可

12、伸长）为一力学系统，如图2-3-1所示，为细线中的张力。则有： （2-3-2）则系统受合外力为： （2-3-3）令，得 （2-3-4）气垫导轨是为消除摩擦而设计的一种力学仪器，它利用气源将压缩空气打入导轨腔中，导轨表面的气孔喷出的压缩气流，使导轨表面和滑块之间形成一层非常薄的“气垫”，将滑块托起，这样可以认为滑块在导轨表面上的运动看成近似无摩擦的直线运动。实验内容与步骤一、实验前准备1、接通数字计时器，安装光电门，使光电门之间相距50cm。2、调水平气垫导轨（阅读仪器说明）：接通气源，把滑块放在导轨某处，用手轻轻地把滑块放在导轨上放开，调节水平螺钉，使滑块能在导轨上静止；或稍有滑动，但不总是向

13、同一方向滑动即可；或将气轨与毫秒计配合进行调平，接通电源，毫秒计功能选择在“”档，让滑块以一定的速度运动，通过两个光电门的速度相对不确定度不超过3%即可。3、用酒精擦洗气垫导轨表面。4、滑块两端装上挂钩架，将拴在砝码桶上的细线，跨过滑轮上的方孔挂在滑块的座架上，连线长度保证砝码桶刚着地，滑块要能通过靠近滑轮一侧的光电门。5、在数字计时器上选择相应的功能。二、质量一定，研究加速度与力之间的关系1、保持M不变；2、改变力F四次：每次从滑块上取下一个砝码，放在砝码桶（或砝码托盘上），注意不能超过砝码桶最大限量。3、每改变一次力，滑块从同一位置静止释放，测加速度4次，记下每次加速度的值。4、记录各数据

14、于表2-3-1中。(三)作用力一定，研究加速度与质量的关系1、拉力一定（如加3个砝码）；2、改变滑块的质量四次，记下加速度的值。3、每改变一次质量，滑块从同一位置静止释放，测加速度4次，记录每次加速度的值。填入数据记录表2-3-2中。数据记录及处理一、质量保持不变， = 。 表2-3-1 次数 () ()() ()()1、根据此表数据在坐标纸上作出；2、根据所画曲线，得出什么样的结论。3、对结论作出分析。二、保持力不变， = 。 表2-3-2 次数 () ()() ()()1、根据此表数据在坐标纸上作当曲线，得出结论：2、根据所画曲线，得出什么样的结论。3、对结论作出分析。注意事项1、先调平气

15、垫导轨，通气后放滑块，结束时先取下滑块，后关掉气源，不应长时间供气，以免气源温度过高，缩短使用寿命；2、两滑块碰撞要作对心碰撞，切勿斜撞，防止滑块从气垫导轨上掉下；3、挡片必须通过光电门进行挡光，才能计时；4、改变滑块质量时，应对称地加减配重块。仪器介绍（一）气垫导轨一、气垫导轨简介气垫导轨装置如图2-3-2所示。图2-3-2 气垫导轨示意图气垫导轨是一根方形(或三角形)铝合金型材结构的管体，全长约1 580mm，两个轨面互成直角，经过精细加工，有较高的平直度和表面光洁度，每个轨面上均匀分布着直径为0.6mm的喷气孔。气泵将压缩空气从导轨一端的进气管送入，空气通过导轨表面的喷气孔向外喷射，在滑

16、块与导轨之间形成一定厚度的“气垫”，将滑块托起，使滑块能在导轨上做近似无摩擦的运动。这是因为气垫导轨内腔的压缩空气通过导轨面上的喷气孔作用于滑块下部，在滑块的上下部间便形成了一定的压力差，这个压力差超过滑块本身的自重时，滑块便浮起，滑块与导轨之间就形成了气膜，气膜内的气体向四周流出使其气压降低，当滑块上下部的压力差等于滑块自重时，气膜厚度就保持在一定的数值。一般气膜厚度大约在10200m之间。气膜厚度取决于气垫导轨的制造精度、滑块的重量和气源流量的大小；而气膜厚度过大时，滑块在运动时会产生左右摇摆现象，使测量的数据不够准确。二、气垫导轨的主要附件1、滑块：共三个，装有碰簧、挡光片夹等，它与导轨

17、配套使用，不可随意调换。滑块两端的弹簧与气垫导轨端座的弹簧，校准到发生对心碰撞。如果碰撞偏斜，滑块运动时就会左右摇摆，造成能量损失，产生较大的实验误差。2、挡光片：挡光片安装在滑块上，随滑块一起运动。当经过光电门时，挡光片阻挡光电门的光路，使数字计时器 “开始计时”或“停止计时”。挡光片形状有，“U”型（开口）和条形（不开口）两种，如图2-3-3所示。挡光片的宽度d，对于“U”型挡光片是第一前沿到第二前沿的距离，即“1”和“3”之间的距离；对于条形挡光片即为其宽度。 1234d d (a) (b) 图2-3-3 (a)“U”型挡光片；(b)条形挡光片3、光电门：共两个，内装发光二极管及光敏二极

18、管，能将挡光信号转换为电信号，用来控制数字计时器的“开始计时”或“停止计时”。4、气垫滑轮：滑轮的表面上有喷气孔，喷出的气流在滑轮表面与跨在表面上的胶带之间形成气垫，使胶带在滑轮面上做无摩擦的滑动。5、碰簧：位于导轨面的两端。当滑块上的碰簧与之相撞时起缓冲作用。6、高度调节旋钮：用于调节导轨左右、前后水平。7、进气管：气源和气垫导轨相连接的波纹管，将一定压强的气流输进导轨内部。8、标尺：固定在导轨上用来指示光电门、滑块的位置及间距等。9、配重块：每组八块，每块质量为(25.0±0.5)g，用以调节滑块的质量。 实验三：研究平抛运动一、水平方向的运动规律师：首先我们先来研究平抛运动水平

19、方向的运动规律。理论分析知平抛运动水平方向的运动规律是匀速直线运动。师：综合大家的思想，为了验证这个结论，实验设计的方向是能够观察到初速度为的平抛运动水平方向的运动与速度为的水平方向的匀速直线运动运动情况相同。为此我们取两个物体，一个物体A以某一速度在水平方向做匀速直线运动，另一个物体B以同样速度为初速度做平抛运动，根据理论，结果应该是AB两物体水平方向的相对位置不变，如果两物体出发点的水平坐标相同，则在运动过程中AB两物体始终处于同一竖直方向，即水平位置始终相同。师：根据这个思想，我这里有个实验案例供大家参考。两个相同的弧形轨道上面分别装有电磁铁，将小球分别吸在电磁铁上，然后切断电源，两球同

20、时开始运动，仔细体会这个实验的设计原理，大家都来说说这个实验观察到的实验结果应该又是什么？生：观察到的结果应该是两球相撞。有条件的带领学生做实验，验证学生的猜想。无条件的带领学生观看视频动画。（平抛与匀速直线运动的比较）【实验表明】:平抛运动水平方向的运动规律是匀速直线运动。二、竖直方向的运动规律师：接着我们研究平抛运动竖直方向的运动规律。理论分析知平抛运动竖直方向的运动规律是自由落体运动。两样请同学们设计一个实验方案来验证这个结论。师：综合大家的思想，为了验证这个结论，实验设计的方向是能够观察到从某高度H做平抛运动的物体竖直方向的运动跟从同一高度H自由下落的物体的运动情况相同。为此我们取两个

21、物体，主要就是取两个物体，一个物体A从某一高度H做自由落体运动，另一个物体B以某一速度从同一高度H做平抛运动，如果它们同时出发，根据理论，结果应该它们竖直方向运动情况一样，AB两物体竖直方向的相对位置不变，运动过程中AB两物体始终处于同一水平方向，即竖直位置始终相同。师：根据这个思想，我这里有个实验案例供大家参考。用小锤打击弹簧金属片，金属片把A球沿水平方向抛出，同时B球被松开，自由下落。A、B两球同时开始运动。仔细体会这个实验的设计原理，大家都来说说这个实验观察到的实验结果应该又是什么？生：观察到的结果应该是两球同时落体，因为对于“同时”用眼睛不容易确定，但我们可以听声音，如果是一个声音，说

22、明同时落地。【实验表明】:平抛运动竖直方向的运动自由落体运动。三、通过实验获得平抛运动轨迹师：刚才的演示实验中，我们进行的都是定性的观察，如果要定量地对平抛运动进行研究，我们首先必须设法描绘物体做平抛运动的轨迹。师：为了获得平抛运动的轨迹，我这里提供几种方法供同学们自己选择方法1：用水流研究平抛物体的运动水平喷出的细水柱显示平抛运动轨迹。如图，倒置的饮料瓶内装着水，瓶塞内插着两根两端开口的细管，其中一根弯成水平，且水平端加接一段更细的硬管作为喷嘴。水从喷嘴中射出，在空中形成弯曲的细水柱，它显示了平抛运动的轨迹。设法把它描在背后的纸上就能进行分析处理了。插入瓶中的另一根细管的作用，是保持从喷嘴射

23、出水流的速度不变，使其不随瓶内水面的下降而减小。这是因为该管上端与空气相通，A处水的压强始终等于大气压，不受瓶内水面高低的影响。因此，在水面降到A处以前的很长一段时间内，都可以得到稳定的细水柱。方法2:用数码照相机或数码摄像机记录平抛运动的轨迹 数码相机大多具有摄像功能，每秒钟拍摄约15帧照片。可以用它拍摄小球从水平桌面飞出后做平抛运动的几张连续照片。如果用数学课上画函数图象的方格黑板做背景，就可以根据照片上小球的位置在方格纸上画出小球的轨迹。方法3:斜面、小槽、小球等实验仪器(实验室最常用的一种方法)实验图如下：1、将平抛运动实验器置于桌面，装好平抛轨道，使轨道的抛射端处于水平位置。调节调平

24、螺丝，观察重垂线或气泡水准，使面板处于竖直平面内，卡好定位板。2、将描迹记录纸衬垫一张复写纸或打字蜡纸，紧贴记录面板用压纸板固定在面板上，使横坐标x轴在水平方向上，纵坐标y轴沿竖直方向向下(若用白纸，可事先用铅笔在纸上画出x、y坐标轴线)，并注意使坐标原点的位置在平抛物体(钢球)的质心(即球心)离开轨道处。3、把接球挡板拉到最上方一格的位置。4、将定位板定在某一位置固定好。钢球紧靠定位板释放，球沿轨道向下运动，以一定的初速度由轨道的平直部分水平抛出。5、下落的钢球打在向面板倾斜的接球挡板上，同时在面板上留下一个印迹点。6、再将接球挡板向下拉一格，重复上述操作方法，打出第二个印迹点，如此继续下拉

25、接球挡板，直至最低点，即可得到平抛的钢球下落时的一系列迹点。7、变更定位板的位置，即可改变钢球平抛的初速度，按上述实验操作方法，便可打出另一系列迹点。8、取下记录纸，将各次实验所记录的点分别用平滑曲线连接起来，即可得到以不同的初速度做平抛运动的轨迹图线。如图所示。实验注意事项：（）必须保证记录面板处于竖直平面内，使平抛轨道的平面靠近板面。（）调节斜槽末端水平，使小球飞出时的速度是水平方向。可将小球放于此处调节到小球不会左右滚动即可。（）贴坐标纸时，可以用重锤线帮助完成，使重锤线与坐标纸的一条线重合，则这条线就是纵坐标。（）坐标原点是斜槽末端处小球球心的位置。（）每次从同一高度无初速释放小球。（

26、）选取轨迹上离原点较远的点来测量x,y的值可减小误差。描点时，应使视线与所描的点齐平。实验3改进版在做“研究平抛物体的运动”的实验中，为了确定小球在不同时刻所通过的位置，实验时用右图所示的装置，将一块平木板钉上复写纸和白纸，竖直立于槽口前某处，使小球从斜槽上紧靠挡板处由静止滑下，小球撞在木板上留下痕迹A；将木板向后移距离x，再使小球从斜槽上紧靠挡板处由静止滑下，小球撞在木板上留下痕迹B；又将木板再向后移距离x，小球再从斜槽上紧靠挡板处由静止滑下，再得到痕迹C。以此也能得到轨迹。四、对平抛运动轨迹的研究师：通过实验我们手头上已经有了好几条平抛运动的轨迹了，根据平抛运动的轨迹我们能得出平抛运动水平

27、方向匀速，竖直方向自由落体这样的结论吗？怎样判断？生：能，根据理论如果物体做平抛运动，则任一时刻物体的坐标应该为（，），并且得到平抛运动的轨迹方程，对于一个确定的平抛运动，是一个常量，所以平抛运动物体任一时刻的位置坐标x、y应该满足。我们在得到的平抛运动轨迹上任选几个点，测量出坐标，看y与x2的比值是否是一个常量。如果是，说明物体做的是平抛运动。五、计算平抛运动的初速度师：根据平抛运动的轨迹如何求解平抛运动的初速度呢？生：根据公式有例1、平抛物体的运动规律可以概括为两点：一是水平方向上做匀速直线运动；二是竖直方向上做自由落体运动。为了研究平抛物体的运动，可做这样的实验：如图所示，用小锤打击弹性金属片，A球水平飞出，同时B球被松开，做自由落体运动。两球同时落到地面。则这个实验（）A只能说明上述规律中的第一条B只能说明上述规律中的第二条C不能说明上述规律中的任何一条D能同时说明上述两条规律。【解析】：该题考查对平抛运动及其分运动的理解，同时考查探究问题的思维能力