力学实验中的“打点计时器”

王洪忠

【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）04-0177-02

【实验目的】

1.巩固了解打点计时器的构造、工作原理和用途。

2.通过打点计时器这一主线使学生掌握：研究匀变速直线运动、验证牛顿运动定律、探究动能定理、验证机械能守恒定律等高考力学实验。

【实验要求】

《考试说明》中明确规定的物理力学实验有：研究匀变速直线运动、探究弹力和弹簧伸长的关系、验证力的平行四边形定则、验证牛顿运动定律、探究动能定理、验证机械能守恒定律。其中有四个实验与纸带处理有关，可见力实验部分以纸带的处理，打点计时器的应用为核心来展开复习。近几年力学实验中与纸带处理相关的实验、力学创新实验是高考的热点内容，以分组或演示实验为背景，考查对实验方法的领悟情况、灵活运用学过的实验方法设计新的实验是高考实验题的新趋势。要求学生掌握常规实验的数据处理方法，能将课本中分组实验和演示实验原理、实验方法迁移到新的背景中，深刻理解概念和规律，并能灵活运用，要求学生有较强的创新能力。

在复习过程中，应以掌握常规实验原理、实验方法、规范操作程序、数据处理方法等为本，同时从常规实验中，有意识的、积极的提取、积累一些有价值的方法。逐步过渡到灵活运用学过的实验方法设计新的实验。

【实验器材】打点计时器、低压交流电源、小车、钩码、砝码、细线、一端固有定滑轮的长木板、带有铁夹的铁架台、重锤。

【实验过程】

[实验一]：研究匀变速直线运动的加速度与瞬时速度

操作一：利用以上所给的器材设计一拖动纸带做匀变速直线运动的运动模型

问题1：如何利用纸带判断物体是否做匀变速运动？

问题2：选择一条清晰的纸带计算打不同计数点时的瞬时速度，并计算其加速度。

问题3：若使用小车，则本实验中需要平衡摩擦力吗？

操作二：改变物体的加速度，并重新计算其加速度

例1.某同学利用打点计时器所记录的纸带来研究做匀变速直线运动小车的运动情况，实验中获得一条纸带，如图所示，其中两相邻计数点间有四个点未画出。已知所用电源的频率为50Hz，则打A点时小车运动的速度vA=_____m/s，小车运动的加速度a=_____m/s2。（结果要求保留三位有效数字）

[实验二]：验证牛顿运动定律

操作三：利用小车以及以上其他装置设计一验证牛顿运动定律的实验模型

问题4：交流讨论实验设计结果，并简述实验操作过程。

操作四：选择最佳实验模型，进行操作实验并记录实验数据

问题5：展示实验结果，并思考此实验需要平衡摩擦力吗？

例2.某同学设计了一个探究小车的加速度a与小车所受拉力F及质量m关系的实验，图（a）为实验装置简图（所用交变电流的频率为50Hz）。

（1）图（b）为某次实验得到的纸带，实验数据如图，图中相邻计数点之间还有4个点未画出，根据纸带可求出小车的加速度大小为——m/s2.（保留三位有效数字）。

（2）保持小车质量不变，改变砂和砂桶质量，一位同学根据实验数据作出了加速度a随拉力F的变化图线如图所示。该图线不通过原点，其主要原因是______________。

[实验三]：探究动能定理

操作五：利用以上装置设计一探究动能定理的实验模型

问题6：交流讨论实验设计结果，并简述实验操作过程

操作六：选择最佳实验模型，进行操作实验并记录实验数据

问题7：展示实验结果，并思考此实验需要平衡摩擦力吗？

例3. 科学规律的发现离不开科学探究，而科学探究可以分为理论探究和实验探究。下面我们追寻科学家的研究足迹用两种方法探究恒力做功和物体动能变化间的关系。

Ⅰ.理论探究：

根据牛顿运动定律和有关运动学公式，推导在恒定合外力的作用下，功与物体动能变化间的关系，请在答题纸上对应位置写出你的推导过程。

Ⅱ.实验探究：

①某同学的实验方案如上图所示，他想用钩码的重力表示小车受到的合外力，为了减小这种做法带来的实验误差，你认为在实验中还应该采取的两项措施是：

a. ；b. 。

②如下图所示是某次实验中得到的一条纸带，其中A、B、C、D、E、F是计数点，相邻计数点间的时间间隔为T。距离如图，则打C点时小车的速度为____；要验证合外力的功与动能变化间的关系，除位移、速度外，还要测出的物理量有____。

[实验四]：验证机械能守恒定律

操作七：利用以上装置设计一验证机械能守恒定律的实验模型

问题8：交流讨论实验设计结果，并简述实验操作过程

操作八：选择最佳实验模型，进行操作实验并记录实验数据

问题9：展示实验结果，并进行误差分析

例4.用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律，实验所用的电源为学生电源，输出电压为6V的交流电和直流电两种，重锤从高处由静止开始下落，重锤上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点痕进行测量，即验证机械能守恒定律。下面列举了该实验的几个操作步骤：

A.按照图示的装置安装器件；

B.将打点计时器接到电源的“直流输出”上；

C.用天平测出重锤的质量；

D.释放悬挂纸带的夹子，同时接通电源开关打出一条纸带；

E.测量纸带上某些点间的距离；

F.根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能。

其中没有必要进行的或者操作不当的步骤是________.

【实验小结】

解决以上力学系列实验的关键是利用打点计时器打出的纸带求得纸带（即与纸带相连的物体）的速度与加速度，然后代入不同的实验原理方程，完成实验目的。