浅谈高中力学实验的复习

2022-05-07福建季慧珠

教学考试(高考物理) 2022年1期

福建季慧珠

物理学是一门实验科学，在中学物理教学中，教师不但要培养学生的科学思维能力，更应注重培养学生的实验素养。力学知识在高考物理试卷分值中占比接近40%，力学实验更是必考内容，因而在高三总复习中，应重视力学实验的复习。笔者从以下几个方面对高中力学实验做了粗浅的梳理，以抛砖引玉。

一、力学中基本物理量的测量

1.力学实验中基本物理量的常用测量仪器

(1)长度测量：刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器

(2)时间测量：打点计时器、秒表

(3)速度测量：打点计时器、光电门

(4)力的测量：弹簧测力计、力传感器

2.记录读数时注意有效数字

读数时是否需要估读，是学生容易混淆的问题，而这又是高考考查的热点问题。是否需要估读，可以从仪器测量值的连续性来考虑：

(1)若该物理量的测量值读数是连续的，则需要估读，如弹簧测力计、刻度尺、螺旋测微器等。

(2)若测量值读数是不连续的，则不需要估读，如游标卡尺。游标卡尺的游标上的第n条线与主尺上的某条线对齐，不可能出现第零点几条线对齐的情况，故而不存在估读的情况。再比如秒表的读数，秒针的每次走动跳一格即0.1秒，所以读数必然是0.1秒的整数倍，是不连续的，故只读到0.1秒这一位，不估读。

3.读数考查的热点仪器

(1)游标卡尺

图1

(2)螺旋测微器

对可动刻度上的格数先估读，然后乘以0.01 mm，再加上固定刻度的读数，就是最终读数。如图2所示，固定刻度读数5.5 mm，可动刻度格数估读30.0格，可动刻度读数30.0×0.01 mm=0.300 mm，加上固定刻度读数，最后读数为5.800 mm。螺旋测微器，又名千分尺，即以mm为单位时，读数需记录到千分位，记录完后，检查一下以毫米为单位是否有千分位，再转化为题目需要的单位，就不容易错了。

二、几个常用的物理实验方法

1.控制变量法

如在“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”实验中，采用的就是控制变量法。先保持小车质量M不变，改变小车拉力的大小，测出不同拉力F与对应加速度a的关系；再保持小车拉力不变，改变小车质量，测出小车质量M与加速度a的关系。

2.累积法

3.逐差法

用打点计时器纸带测量物体加速度时，应采用逐差法计算加速度，充分利用测量数据，以减小偶然误差。

三、用一套实验装置进行多个实验

1.如图3所示这套实验装置，既可用来探究加速度与物体受力、物体质量的关系，也可用来验证动能定理。做实验时，应首先平衡摩擦力，先取下细绳和装沙的桶，在长木板不带定滑轮的一端下面垫上一块垫板，使小车匀速下滑。这样，挂上细绳和沙桶，小车沿木板向下加速运动，绳对小车的拉力即为小车所受合力。

(1)探究加速度与物体受力、物体质量的关系

当沙和沙桶的总质量m远小于小车质量M时，可认为小车所受合力等于沙和沙桶的总重力。先保持小车质量不变，接通打点计时器电源，然后释放小车，利用纸带测出小车的加速度。改变沙子质量，重复几次实验，探究合力与加速度的关系；再保持沙和沙桶的质量不变，改变小车质量，同样探究加速度与小车质量的关系。

(2)探究动能定理

图4

拓展：这套实验器材中，若把长木板换为水平放置的气垫导轨(此时可看成小车不受摩擦力作用)，则除了可以做上述两个实验外，还可以验证系统(沙、沙桶和小车)的机械能守恒。

2.如图5所示，利用研究平抛运动特点的实验装置，只要在地上铺上白纸、复写纸以及用上两个质量不同、大小相同的小球，即可用来做验证动量守恒的实验。

图5

四、理解实验原理，懂得为什么“需要”和为什么“不需要”

1.利用图3装置探究加速度与合外力、物体质量的关系时，每次改变小车质量时，是否需要重新平衡摩擦力？

如图6所示，画出小车受力分析图，由于Mgsinθ=μMgcosθ，等式两边M可消去，等式与质量无关，所以无论小车质量如何改变，都不需重新平衡摩擦力。

图6

2.利用图3装置探究加速度与合外力、物体质量的关系时，是否要求钩码(或沙和沙桶)质量远小于小车质量(m≪M)？

由于系统在做加速运动时，钩码处于失重状态，轻绳拉力是不等于钩码重力的，钩码的重力事实上提供的是钩码和小车整个系统的加速度，即mg=(m+M)a，只有当m≪M，才近似有mg=Ma，才可以认为拉力大小等于钩码重力。

拓展1：若采用如图7所示两种实验装置来探究加速度与合外力、物体质量的关系，是否要求m≪M？

图7

这两种装置中，轻绳拉力可以分别由弹簧测力计和力传感器测出，不需由沙和沙桶(或钩码)的重力来代替，所以不需要满足m≪M这个条件。

拓展2：如图8所示，在小车左侧连接纸带和打点计时器(图中未画出)，先把N=5个钩码全部放入小车，在长木板左下方垫上适当厚度的小物块，使小车(和钩码)可以在木板上匀速下滑。将n(依次取n=1，2，3，4，5)个钩码挂在轻绳右端，其余(N-n)个钩码仍留在小车内；接通打点计时器电源，用手按住小车并使轻绳与木板平行。释放小车，取下纸带，算出加速度a。以a为纵轴、n为横轴，画出a-n图像，如图9所示，图像为一条过原点的直线。问：本实验中，是否需要满足nm≪M？

图8

图9

3.在“验证机械能守恒定律”的实验中，采用如图10甲所示装置，需要测出物体质量吗？

甲

4.在验证“力的平行四边形定则”实验中，是否需要把结点O拉到同一位置？

如图11所示，如果采用图11甲所示的实验装置，先用两个弹簧测力计拉细绳套，使结点到达某一位置时，再换用一个弹簧测力计拉细绳套，为了使两次效果相同，是需要把结点拉到相同的位置O的。而若采用图11乙所示装置，两个弹簧测力计拉力的合力与悬挂物体的重力平衡，不需再换用一个弹簧测力计以使拉伸效果相同，所以并不需要记录结点O的位置。

甲

小结：实验中的“需要”与“不需要”，并不是一成不变的，而是需要搞清实验原理再进行分析。

五、图像法处理数据

图像在表达物理过程、规律方面，具有直观、形象的特点。实验数据的处理除了可以用公式法计算外，还常常用图像来处理。

1.利用图像直接观察物理量间的关系，探究物理规律

如图12所示，在“探究弹力和弹簧伸长的关系”实验中，逐个挂上钩码，并测出弹簧相应的伸长量，根据数据画出F-x图像。从图像可以很直观看出，弹力与弹簧伸长量成正比。

图12

图13

甲

2.利用图像求出相关物理量

图15

拓展：用同一套实验装置做实验，甲、乙、丙三位同学分别画出了如图16所示a、b、c三条图线。请问他们各自能根据图像计算出当地重力加速度吗？

图16

即当某个单摆的全部摆长不方便测量时，可以每次都少测一段不方便测量的部分，或摆球重心不易确定时，少测或多测相同的一段距离，然后画出T2-L关系图像，利用斜率仍然可以准确求出重力加速度。

六、误差分析

实验存在误差是不可避免的。我们需要对实验误差进行分析，并思考如何减小误差。

1.适当增大测量值，以减小相对误差

如利用单摆测当地重力加速度的实验中，摆线长适当长一些(取1 m左右)，可以减小相对误差；“验证力的平行四边形定则”实验中，如图17所示，细绳套的长度适当长一些，以减小确定拉力方向时的误差。

图17

2.减小偶然误差

(1)利用图像法减小偶然误差。

画图像的过程中，让尽量多的点在线上或均匀分布在线的两侧，是一种取平均的思想，能够减小偶然误差。

(2)多次测量求平均值。

如图18甲所示，在“验证动量守恒定律”实验中，不放B球时，让A球从同一位置由静止释放，重复10次，把白纸上由复写纸印出的点迹，用最小的圆圈起来，则圆心就是A球的平均落点，位置如图18丙中P点所示。把B球放在斜槽末端，让A球从同一位置由静止释放，用同样方法重复10次，这样分别找出A、B球碰后各自的落点M、N，如图18丙所示。这样对落点多次测量求平均位置，可以减小误差。