高中物理力学实验专题.doc

高中力学实验专题
力学实验部分要求掌握的知识点有：
(1)研究匀变速直线运动
(2)探究弹力和弹簧伸长的关系
(3)验证力的平行四边形定则
(4)验证牛顿运动定律
(5)探究动能定理
(6)验证机械能守恒定律
（一）打点计时器系列实验中纸带的处理
1．纸带的选取：一般实验应用点迹清晰、无漏点的纸带中选取有足够多点的一段作为实验纸带。在“验证机械能守恒定律”实验中还要求纸带包含第一、二点，并且第一、二两点距离接近2.0mm。
2．根据纸带上点的密集程度选取计数点。打点计时器每打n个点取一个计数点，则计数点时间间隔为n个打点时间间隔，即T=0.02n（s）。一般取n＝5，此时T=0.1s。
3．测量计数点间距离。为了测量、计算的方便和减小偶然误差的考虑，测量距离时不要分段测量，尽可能一次测量完毕，即测量计数起点到其它各计数点的距离。如图所示，则由图可得：
，，，，，
s6
4
3
6
2
1
0
s5
s4
s3
s2
s1
SⅠ
SⅥ
SⅤ
SⅣ
SⅢ
SⅡ

4．判定物体运动的性质：
⑴若、、、、、基本相等，则可判定物体在实验误差范围内作匀速直线运动。
⑵设△s1=－，△s2=－，△s3=－，△s4=－，△s5=－
若△s1、△s2、△s3、△s4、△s5基本相等，则可判定物体在实验误差范围内作匀变速直线运动。
⑶测定第n点的瞬时速度。物体作匀变速直线运动时，在某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度。即测出第n点的相邻的前、后两段相等时间T内的距离，由平均速度公式就可求得，如上图中第4点的瞬时速度为：。
⑷测定作匀变速直线运动物体的加速度，一般用逐差法求加速度。将如上图所示的连续相等时间间隔T内的位移、、、、、分成两组，利用可得：、、，再算出的、、平均值，即：就是所测定作匀变速直线运动物体的加速度。若为奇数组数据则将中间一组去掉，然后再将数据分组利用逐差法求解。
（二）验证力的平行四边形定则
1、实验原理
一个力F的作用效果与两个共点力一和疋的共同作用效果都是把橡皮条拉伸到某点，则F为F1和F2的合力．作出F的图示，再根据力的平行四边形定则作出Fl和F2的合力F’的图示，比较F’与F在实验误差允许的范围内是否大小相等、方向相同，即可验证力的平行四边形定则．
2、实验注意事项
(1)结点0：
①定位0点时要力求准确．
②同一次实验中橡皮条拉长后的0点必须保持不变．
(2)拉力：
①用弹簧秤测拉力时要使拉力沿弹簧秤轴线方向．
②应尽量使橡皮条、弹簧秤和细绳套位于与纸面平行的同一平面内，细绳套适当长些。
③两个分力F1、F2间的夹角θ不要太大或太小．以600至1200为宜。
(3)作图：
①在同一次实验中，选定的比例要相同．
②严格按力的图示要求和几何作图法作出平行四边形，求出合力．
4、误差剖析
(1)弹簧秤本身存在误差．
(2)读数误差：为减小误差，读数时眼睛一定要正视刻线，按有效数字的要求正确读数并记录数据．
(3)作图误差：作图时，两力的对边一定要平行；铅笔尖要尽量细；图的比例要合适．
（三）、验证牛顿运动定律．
1、实验原理
(1)实验的基本思想——控制变量法
物理学中研究三个量或多个量之间的关系时，要用控制变量法．研究时先保持某个(或某些)量不变，研究另外两个量之间的关系；再保持另一个(或一些)量不变，研究其余两个量之间的关系；然后综合起来得出结论．本实验研究三个变量：加速度a、拉力F、质量m(小车)的定量关系，需采用控制变量法．
①保持研究对象即小车的质量不变，改变砂桶内砂的质量，即改变拉力，测出对应不同拉力时小车的加速度，验证加速度是否正比于拉力．
②保持小桶内砂的质量不变，改变研究对象的质量，即往小车内加砝码，测出对应不同质量时小车的加速度，验证加速度是否反比于质量．
(2)实验中拉力的测量方法——近似法
①小车质量的测量：小车的质量可以利用天平测出，在小车上加放砝码可改变小车的质量．
②拉力的测量：本实验通过装砂的小桶给小车以拉力，此拉力也等于小车受到的合力．在小桶和砂的总质量远小于小车质量的情况下，可以认为小桶和砂的重力近似等于对小车的拉力．因此用天平测出砂桶(包括砂)的质量，即可得拉力F改变小桶中砂的多少即可改变拉力的大小．
说明：实际测量中可通过平衡摩擦力的方法来消除摩擦力的影响．
③加速度的测量：在小车的后面拖上纸带，利用打点计时器打出的纸带测加速度．
(3)实验数据的处理方法一图象法，化曲为直的方法
①研究a和F的关系：以加速度a为纵坐标，以F为横坐标，根据测量的数据描点，然后作出图象，看图象是否是通过原点的直线，就能判断a与F是否成正比．
②研究a与m的关系：因为a一m图象是双曲线，通过曲线判断两个量是不是反比关系，相当困难．若a和m成反比，则a一1／m必成正比．我们采取“化曲为直”的思想，以a为纵轴，以1／m为横轴，作出a一l／m图象，若a一1／m的图象是一条直线，说明a与l／m成正比，即a与m成反比．
3、实验注意事项
(1)平衡摩擦力
实验中要保证小车受到的合力等于拉力，必须消除摩擦力的影响，这就需要平衡摩擦力．
方法：在木板无滑轮的一端下面垫一垫木，反复移动其位置，直到拖在小车后面的纸带上打出的点距均匀为止．此时重力沿斜面向下的分力等于物体受到的摩擦力．实验时小车受到的合力等于细线对小车的拉力．
注意：①整个实验平衡摩擦力后，后续实验中都无须重新平衡摩擦力；②平衡摩擦力时不要挂小桶，后面要连上纸带．
(2)要保证砂桶(包括砂)的质量远小于小车的质量,只有在小车(包括上面的砝码)的质量远大于砂桶(包括砂)的总质量的条件下，砂和砂桶的总重力才可视为等于小车受到的拉力．
(3)作图时不要画成折线
根据测量数据所描出的点，绝大多数都靠近某条直线，但并不严格都在这条直线上，连线时让大多数点在直线上即可，不在直线上的点均匀分布在直线两侧，个别偏离较远的点舍去．
4、误差剖析
①把砂和小桶的总重力作为小车的拉力，产生的误差是系统误差；
②测纸带上打点间距计算加速度可能引起误差；
③摩擦力平衡过大或不够可能引起误差．
（四）、验证机械能守恒定律
1、实验原理
在只有重力做功的自由落体运动中，物体的重力势能和动能互相转化，但总的机械能守恒．若物体从静止下落高度为h时的速度为a，恒有mgh=mv2/2．故只需借助打点计时器，通过纸带测出重物某时刻的下落高度h和该时刻的瞬时速度v，即可验证机械能守恒定律．
2、实验注意事项
(1)实验前的准备
①打点计时器安装时应注意，两纸带限位孔必须在同一竖直线上，以减少摩擦阻力．
②重锤应选择质量较大的，从而使重力远大于下落过程中受到的阻力．
(2)实验过程
因为实验要求第一个点对应重锤开始下落的时刻，这就要尽量使每点都要清晰，为此应先接通电源，待打点计时器正常工作后再松开纸带．
(3)测量和数据处理
①测量长度时，都必须从起始点开始，只进行一次刻度对齐，读出各段数值，以减少因测量次数过多而带来的误差．
②实验不用测重锤的质量，只需验证gh是否等于vn2／2即可．
③纸带的选取：若选第一个点为计时起点(该点速度为零)，则应选择第一、二两点间的距离接近2 mm且点迹清晰的纸带进行测量；如果纸带开始的点迹不清晰，也可以选择中间的一段来进行验证，所依据的公式是 ，需要验证的式子是
3、误差剖析
①本实验中因重锤和纸带在下落的过程中要克服阻力做功，故动能的增加量一定略小于重力势能的减少量，这是不可避免的，属于系统误差，改进的方法是调整器材的安装，尽可能地减少阻力．
②本实验的另一误差来源于长度的测量，属于偶然误差．．
（五）、探究弹力和弹簧伸长的关系
1、实验原理
弹簧受到拉力会伸长，平衡时弹簧产生的弹力和所受外力大小相等．这样弹力的大小可以通过测定外力而得出(可以用悬挂砝码的方法给弹簧施加拉力)；弹簧的长度可用刻度尺测出．多测几组弹力F与对应的弹簧伸长量的数据，用列表或作图的方法得出弹力与弹簧伸长的定量关系．
2、实验警示
(1)测量有关长度时，应区别弹簧原长L0、实际长度L及伸长量X三者之间的不同，明确三者之间的关系．
(2)描线的原则是尽量使各点落在画出的线上，可允许少数点分布于线两侧，描出的线不应是折线，而应是平滑的曲线．
3、误差剖析
(1)由于弹簧自身重力的影响，不挂砝码时弹簧的长度略大于弹簧的自然长度；
(2)读取刻度时存在偶然误差；
(3)描点作图线时存在误差．

（六）、探究动能定理
1、实验原理
采用如图所示装置，让小车在橡皮筋作用下弹出，使小车获得速度后沿木板匀速滑行。当用一条橡皮筋弹出时对小车做的功记为形，则用两条、三条……完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次……实验，每次橡皮筋都拉伸到同一位置释放时，实验中橡皮筋对小车做的功就是第l次的2倍(2W)、3倍(3W)……．橡皮筋每次实验做的功使小车获得的速度根据打点计时器打出的纸带得到．当得出若干组功和速度的数据后，以橡皮筋对小车做的功为纵坐标，分别以小车获得的速度v、v2、为横坐标，以第l次实验时的功W为单位，用描点法分别作出W一V、W一V2、W一曲线，分析曲线，得出橡皮筋对小车做的功与小车获得速度的定量关系．
2、实验警示
(1)每次实验中小车要拖动到同一位置．
(2)长木板要倾斜，使小车能在长木板上匀速运动．
(3)实验中不用测小车的质量．
(4)实验中测定的速度应是橡皮筋恢复形变以后小车的速度，所以应选用那些间距较大，且相对均匀的点来测量和计算．
3、误差剖析
①每个橡皮筋的劲度系数不同和每次拉伸的长度不完全一致，造成橡皮筋对小车做的功不是整数倍关系引起误差；
②不完全平衡摩擦力或平衡摩擦力过大，造成实验中除橡皮筋的拉力做功外，还有其他力做功，并由此造成最末阶段纸带上点的间隔不均匀而引起测量速度的误差．

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