挖掘实验装置的多重功效提升处理实验的综合能力

挖掘实验装置的多重功效，提升处理实验的综合能力 於罗英 杨文兵（江苏省大港中学 江苏镇江 212028）图 1物理实验一直是高考的热点，试题的难度、灵活度、综合度在不断提升。要提高实验题的正确率，不仅要理解实验原理，掌握实验方法，还要正确分析实验误差，抓住实验的精髓。下文就从课本上的实验装置着手，适当改变实验条件，体现其多重功效，提升实验的综合能力。实验装置：把附有滑轮的长木板平放在实验桌上，将细绳绕过滑轮，下面挂上适当的钩码，将小车停在靠近打点计时器的位置，纸带穿过打点计时器与小车相连，打点计时器接到频率为50HZ的交流电源上。设小车以及上面附属物的质量为M，钩码的质量为m，细绳对小车的拉力为F，小车与平板间的滑动摩擦力为f。功效一、判断物体的运动性质实验原理：分析物体在相等的时间内通过的位移变化情况，判别物体的运动性质。若物体在相等的相邻的时间内通过的位移差是个定值，则物体做匀变速直线运动。功效二、测量物体的瞬时速度实验原理：物体在某点的瞬时速度近似等于对应段的平均速度，所选取时间越短，平均速度越接近瞬时速度；若物体做匀变速直线运动，中间时刻的速度等于对应时间段的平均速度，即。例1.某同学利用图1所示装置进行实验，得到表示小车运动过程的一条清晰纸带（如图2所示），其中x17.05cm、x27.68cm、x38.33cm、x48.95cm、x59.61cm、x610.26cm，（1）判别小车做什么运动？（2）打第3个点的时速度是多少？图 2解析：（1）因为相等时间内物体运动的位移增大，所以物体做加速运动，通过计算发现,故物体做匀加速直线运动。（2）。功效三、测量物体的加速度实验原理：做匀加速运动的物体满足，利用该公式求出加速度。例2.求例1中小车运动的加速度解析：为了减小实验误差，利用逐差法求出,再求出三次的平均值，得。本题也可求出物体各时刻的速度，画出图象，求得的斜率就是加速度。功效四、测量物体与接触面的动摩擦因素实验原理：平衡原理或牛顿运动定律。NFMg图 4f例3.（1）在图1装置中，用天平测出小车以及上面附属物的质量为M1kg，钩码的质量为m=0.2kg,请求出小车与木板间的动摩擦因数。Fmg图 3（2）若没有天平，请用该装置测出动摩擦因素，写出你的测量方法。解析：（1） 隔离钩码，受力图如3所示， 隔离小车，受力图如4所示，得 联立两式得： 代入数据 。 （2）取下钩码，适当抬高平板的右端，接通电源，释放小车，重复操作，直到纸带上相邻计时点的间距相等为止。此时物体做匀速运动，合外力为0，得。测出倾斜平板的高度h及对应的底边d，则。说明：这是平衡摩擦力的方法，因与物体的质量无关，一旦平衡好摩擦力，以后都不需要再重复。功效五：探究加速度与物体质量、物体受力的关系（物体可以是小车，也可以是系统）实验原理：采用控制变量法探究三个物理量之间的关系。保持小车受力F一定，在小车上加钩码改变研究对象的质量M，探究加速度a与M的关系；保持小车质量M不变，探究加速度a与合外力F的关系。功效六：探究动能定理实验原理：合外力对物体做的功等于物体动能的增加量。功效七：验证系统的机械能守恒定律实验原理：若系统内只有动能和势能的转化，则系统的机械能守恒。例5.甲、乙两实验小组利用图1所示的装置来探究实验，他们首先平衡了摩擦力（取下钩码，适当抬高平板的右端，接通电源再释放纸带，直到纸带上各点间距离相等）。1）两小组探究小车的加速度与物体受力的关系。甲组保持小车质量M一定，逐渐增加钩码的个数改变质量m，且满足；乙组将小车上的钩码移到另一侧钩码下面。每次改变钩码的总重力，求得一个相应的加速度。他们将mg作为研究对象受到的合外力F，以合外力F为横轴，以加速度a为纵轴，画出图象是一条过坐标原点的直线，从而证明物体的加速度与合外力成正比。请说明图象斜率的物理意义，并指出两组操作的本质区别。（2）两组认为：如果用天平测出小车及附属物的质量M、钩码的质量m，由纸带测出物体下降的距离x，求出对应时刻的瞬时速度v1、v2，可验证动能定理。请你说明要验证的表达式，并指出两组的不同。（3）两小组同学还认为该装置还能验证系统的机械能守恒定律，说说你的看法。解析：（1）研究小车：平衡摩擦力之后，小车受到的合外力 研究钩码： 联立两式得：，。 甲组：因为，故，图象的斜率近似表示。乙组：系统总质量不变， ，图象的斜率表示。（2）甲组以小车为研究对象，小车受到的合外力。只要探究是否成立即可，就能验证动能定理对单个物体适用。 乙组以系统为研究对象，系统的合外力。这时需要探究的是是否成立，来验证动能定理对系统适用。（3）因为平板是粗糙的，但运动过程中必定会产生内能，造成机械能的损失。平衡摩擦力目的只是使小车重力势能的减少量等于小车与平板摩擦产生的内能。 所以小车的质量M应尽可能小，摩擦阻力就足够小了。探究是否成立，就能验证系统机械能守恒。说明：将实验中的木板改为气垫导轨，只要将导轨调水平，就能较好地机械能守恒定律。功效八：探究运动物体受到的空气阻力与速度大小的关系例6.为了探究受到空气阻力时，物体运动速度随时间的变化规律，某同学图1装置进行实验。他平衡小车与木板之间的摩擦力后，在小车上安装一薄板，以增大空气对小车运动的阻力。挂上钩码，接通电源，释放小车，在纸带上打出一系列的点，从纸带上选取若干计数点进行测量，得出各计数点的时间t与速度v的数据如下表时间t/s00.501.001.502.002.50速度v/(m/s)0.120.190.230.260.280.290 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50图 5v/(m/s)t/s0.300.200.10（1）请根据实验数据作出（2）请根据v-t图象分析，小车所受的空气阻力与速度大小的关系。解析（1）小车的v-t图象如图5所示w w w.ks5 u .c om（2）根据v-t图象看出，随着小车运动速度的增大，其斜率越小，由可知小车受到的合外力减小，阻力增大。最终得到结论：物体受到的空气阻力随速度的增大而增大。根据以上分析，我们只要从实验原理出发，一个实验装置就能发挥多重功效，多而提升学生正向迁移的能力，使学生能够灵活运用所学知识解决实际问题，举一反三，触类旁通。本文总字符（含空格）2566作者简介於罗英，女，汉，籍贯江苏镇江，中学高级教师，1989年毕业于扬州师范学院，本科学历，现任教于江苏省大港中学，担任物理教研组组长，是江苏省特级教师、江苏省第四期“333高层次人才培养工程”第三层次培养对象、镇江市名师工作室导师，镇江市学科带头人、镇江市科技骨干， 2007年获江苏省教育工作先进个人称号，2011年被评为江苏省物理学会先进个人，先后获物理教学基本功竞赛市一等奖、省一等奖，主要研究方向：物理教学；杨文兵，男，汉，籍贯江苏镇江，中学高级教师，1990年毕业于南京师范大学，大学本科学历，现任教于江苏省大港中学，担任年级部主任，镇江骨干教师、镇江市科技骨干， 曾被评为江苏省教科研先进个人，镇江市教育工作先进