力学实验的创新角度

李向阳

(安徽省蒙城第一中学)

力学实验相比电学实验更加灵活多变,命题更加注重创新,本文从利用手机等科技产品、改变实验器材、多个实验目的重组等角度谈力学实验的创新.

1 利用手机等科技产品

利用手机中的各种传感器,可以直接测量速度、加速度、磁感应强度等物理量,也可以通过手机的拍照功能得到物体的运动轨迹,从而研究物体运动的速度、加速度等物理量.

例1如图1所示,轻绳跨过光滑定滑轮,一端与小车相连,另一端与手机相连,刻度尺竖直固定在手机一侧.打开手机的频闪拍照功能并由静止释放手机,手机下落过程中拍摄到一组照片,其中三幅相邻的照片中心分别对应在刻度尺上的a、b、c位置,如图2所示.已知小车质量为M,手机频闪拍照周期为T,则( ).

图1

图2

B.手机拍b位置时的速度为

D.因没有考虑小车受到的摩擦力,测量的手机质量会偏小

点评本题利用手机拍照的功能得到手机在不同时刻的速度,进而得到手机下落的加速度.我们的生活已经离不开手机,手机的许多功能不仅能方便我们的学习和生活,而且有些功能具有进行实验的可操作性.利用手机进行实验已经全面进入考题,是物理实验的创新点.

2 改变实验器材探究物理实验

通过科技手段使用更精准的仪器代替传统仪器进行测量,既提高了实验效率,减小了实验误差,又能从更多角度对实验进行创新.

例2某同学设计了如图3所示的装置来验证机械能守恒定律,竖直杆竖直固定在M、N两点,在杆上固定一个量角器,并在量角器的圆心处固定一个力传感器,一根细线上端连接在力传感器上,下端系在小球上.

图3

实验步骤如下:

①拉起小球,使细线与竖直方向成一个角度,由静止释放小球,使小球在竖直平面内做圆周运动;

②记录小球运动到最低点时力传感器的最大示数F;

③重复以上实验步骤.

(1)该同学练习使用游标卡尺测量小球直径d时,游标卡尺的示数如图4 所示,则d＝_________mm.

图4

(2)关于该实验,下列说法正确的有________.

A.可以直接用弹簧测力计代替力传感器进行实验

B.细线要选择非弹性的

C.小球尽量选择密度大的

(3)实验中没有提供天平等可以测量质量的实验器材,为完成实验,需要记录小球在竖直方向上静止时_________.

(4)为完成实验,还需要测量的物理量有_________.

A.释放小球时细线偏离竖直方向的角度θ

B.小球从释放到运动至最低点的时间t

C.细线长L

(5)需要验证机械能守恒定律的表达式为_________(用已知量和测量量的符号表示).

(6)实验中发现,小球摆到另一侧偏离竖直方向的角度略小于初始释放位置偏离竖直方向的角度,其原因可能是________.

解析(1)游标卡尺的读数为d＝10mm＋4×0.1 mm＝10.4mm.

(2)弹簧测力计代替力传感器进行实验时,由于细线不断摆动,不方便进行读数与记录,故选项A 错误;细线要选择非弹性细线,避免摆长发生变化,故选项B正确;小球尽量选择密度大的,以减小空气阻力的影响,故选项C正确.

(4)由(3)分析知,为完成实验,还需要测量的物理量有释放小球时细线偏离竖直方向的角度θ.

(5)由(3)分析知,需要验证机械能守恒的表达式为F＝3F0-2F0cosθ.

(6)小球摆到另一侧偏离竖直方向的角度略小于初始释放位置偏离竖直方向的角度,其原因可能是小球运动过程中存在空气阻力.

点评做圆周运动的物体在最低点利用拉力传感器测速度是本题的创新点.本题给出了一般角度下,验证机械能守恒定律需要满足的规律,也可设置特殊角度下,如θ＝90°时,验证机械能守恒定律需要满足的规律.

3 多个实验目的的组合

一个力学装置可以达成多个实验目的,物理命题常常围绕一个装置,实现多个实验目的,即最大限度地挖掘装置的功能,在实现装置不变的情况下,达成多个实验目的,也称组合型的创新.

例3某同学利用图5所示装置,验证以下两个规律:

图5

①两物块通过不可伸长的细绳相连接,沿绳分速度相等;

②系统机械能守恒.

P、Q、R是三个完全相同的物块,P、Q用细绳连接,放在水平气垫桌上,物块R与轻质滑轮连接,放在正中间,a、b、c代表三个光电门,调整三个光电门的位置,能实现同时遮光,整个装置无初速度释放.

(1)为了能完成实验目的,除了记录P、Q、R三个遮光片的遮光时间t1、t2、t3外,还必须测量的物理量有_________.

A.P、Q、R的质量M

B.两个定滑轮的距离d

C.R的遮光片到c的距离H

D.遮光片的宽度x

(2)根据装置可以分析出P、Q的速度大小相等,需要验证的表达式为_________.

(3)若要验证物块R与物块P沿绳分速度相等,则验证表达式为_________.

(4)若已知当地重力加速度g,则验证系统机械能守恒的表达式为_________.

解析(1)验证系统机械能守恒,需验证的表达式为,物块质量可约去,对实验结果没有影响,不需要测量,选项A 错误;设两滑轮间距为d,物块R与轻质滑轮连接,放在正中间,物块R沿两绳的分速度均为v＝,此即P、Q的速度,两滑轮间距d需要测量,选项B 正确;根据选项A 可知,需要测量R的遮光片到c的距离H,选项C 正确;根据选项A 可知,需要测量三个物块的速度,由可知,需要测量遮光片的宽度x,选项D 正确.

(2)若P、Q的速度大小相等,由(1)可知,需要验证t1＝t2.

点评本装置达成了三个实验目的:验证了P、Q的速度大小相等、验证了物块R与物块P的沿绳分速度相等、验证系统机械能守恒.实验目的不同时,需要测量的物理量是不同的,同一装置,达到不同的实验目的是实验创新的命题点.

通过上述分析可以看出,突破力学创新实验,我们要在平时多观察,多思考,多挖掘装置的各种功能,并注意实验原理的学习.掌握基本实验是前提,灵活运用物理规律是关键,融会贯通物理实验原理是核心.

(完)