力学分组实验的回顾与总结

於新泉

高中物理力学分组实验有：验证力的平行四边形定则，研究匀变速直线运动，探究加速度与力、质量的关系，验证机械能守恒定律.其中有三个实验常利用打点计时器进行.近几年力学中相关纸带处理的实验、力学创新实验是高考的热点内容.在实验复习中，应以掌握常规实验原理、方法、规范操作程序、数据处理方法等为根本，灵活运用所学知识、实验方法迁移到新的背景中，设计新的实验和解决相关问题.

一、实验的原理和注意点

1.探究求合力的方法

一个力F的作用效果与两个共点力F1和F2的共同作用效果都是把橡皮条结点拉伸到某点，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F1和F2的合力F'的图示，比较F'与F在实验误差允许范围内是否大小相等、方向相同，即可得到互成角度的两个力的合成遵从平行四边形定则.

实验中应注意：（1）定位（）点时要力求准确;（2）同一次实验中，用两个弹簧秤和只用一个弹簧秤拉橡皮条使结点O必须保持位置不变;（3）用弹簧测力计测拉力时要使拉力沿弹簧测力计轴线方向;（4）应使橡皮条、弹簧测力计和细绳套位于与纸面平行的同一平面内;（5）两个分力F1、F2间的夹角θ不要太大，也不要太小.（6）在同一次实验中，选定的标度要相同;（7）严格按力的图示要求和几何作图法作出平行四边形.

2.探究加速度与力、质量的关系

探究加速度a与力F、质量M的关系时，应用的基本方法是控制变量法，可先控制小车的质量朋不变，探究加速度a与力F的关系;再控制小盘和砝码的质量不变，即力F不变，改变小车质量M，探究加速度a与质量M的关系.

实验中应注意：（1）正确做好平衡摩擦力的工作，利用垫块调节斜面倾角，使小车的重力沿着斜面方向的分力正好平衡小车受到的摩擦阻力.在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细线系在小车上，即不要给小车加任何牵引力，通过调节让小车拖着打点的纸带匀速运动;（2）整个实验平衡了摩擦力后，不管以后是改变小盘和砝码的总质量还是改变小车和砝码的总质量，都不需要重新平衡摩擦力;（3）每条纸带必须在满足小车与车上所加砝码的总质量远大于小盘和砝码的总质量的条件下打出.只有如此，小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力;（4）改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，再放开小车，且应在小车到达滑轮前按住小车.

例1 某小组利用如图1所示的装置验证牛顿第二定律.实验中，他们先利用垫块平衡摩擦力，用天平测出小车的总质量，用细线所挂砝码盘和砝码的总重代替小车所受的牵引力大小F.调节木板上定滑轮的高度，使牵引小车的细线与木板平行.这样做的目的是

（    ）

A.避免小车在运动过程中发生抖动

B.使打点计时器在纸带上打出的点迹清晰

C.保证小车最终能够做匀速直线运动

D.使细线拉力等于小车受到的合力

解析 依据实验的基本原理，如果细线与木板不平行，需要将细线对小车的拉力进行分解，小车受到的摩擦力也发生变化，细线拉力不再等于小车受到的合力，故本题选D.

3.验证机械能守恒定律

二、关于纸带的处理

利用打点计时器的实验均涉及纸带，对于纸带的数据处理必须弄清楚下面几点：

1.纸带的选取：一般实验应选用点迹清晰、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”实验中需要用到初速度为零的起点时，还要求纸带包含打出的第一、二点，且两点距离接近2.0 mm.

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，如果取n =5，则对频率为50 Hz的交流电可知T=0.1 s.当然不一定取n =5，应根据实际情况而定.

三、描点作图要求

描点作图在物理实验中是必备的技能，通过描点作图探究相关规律，其基本要求是：（1）合理建立坐标（如通常尽可能面物理量间的线性图象），选取恰当的标度;（2）根据实验所测的数据准确描点;（3）依据描出的点画平滑的曲线或直线（点应尽可能接近图线，基本均匀分布在曲线或直线的两侧，个别偏移图线较远的点应去除）.

例2 某实验小组用图2甲装置验证机械能守恒定律.将一端带有滑轮的长金属轨道水平放置，重物通过轻细绳水平牵引小车沿轨道运动，利用打点计时器和纸带记录小车的运动.

（1）实验中，电火花计时器应使用__________ V交流电源;小车质量__________ （选填“需要”或“不需要”）远大于重物质量.

（2）正确完成一系列实验操作后，得到了一条纸带如图2乙所示，图中O是打点计时器打下的第一个点，用刻度尺测量连续的计数点A、B、C、D、E、F到O点的距离分别是h1、h2、h3、h4、h5、h6.已知打點计时器的打点周期为T，则可求出打D点时小车运动的速度v_D=__________;小车运动的加速度a=____（用h4、h5、h6和T表示）.