高级中学物理力学实验.doc

.* 赤峰新希望辅导学校 高 中 物 理 力学实验精讲 辅导教师：姚明席实验一 匀变速直线运动的实验探究 （2）“图像法”求加速度，即由“平均速度法”求出多个点的速度，画出v—t图，直线的斜率即加速度． “平均速度法”求速度, 即根据如下图所示 三、实验器材 打点计时器、纸带、一端附有定滑轮的长木板、小车、细绳、钩码、刻度尺、电源、导线、复写纸片. 四、实验步骤 1.把附有滑轮的长木板放在实验桌上,并使滑轮伸出桌面,把打点计时器固定在长木板上没有滑轮 的一端,连接好电路. 2.把一条细绳拴在小车上,细绳跨过滑轮,下边挂上合适的钩码,把纸带穿过打点计时器,并把它的一端固定在小车的后面.实验装置见图—1—2所示,放手后,看小车能否在木板上平稳地加速滑行 3.把小车停在靠近打点计时器处,先接通电源,后放开小车,让小车拖着纸带运动,打点计时器就在纸带上打下一系列的点,换上新纸带,重复三次. 图—1—2 4.从几条纸带中选择一条比较理想的纸带,舍掉开始一些比较密集的点,在后面便于测量的地方找一个开始点,以后依次每五个点取一个计数点,确定好计数始点,并标明0、1、2、3、4……,测量各计数点到0点的距离s,并记录填入表中 5.计算出相邻的计数点之间的距离Δs1、Δs2、Δs3…… 6.利用一段时间内的平均速度等于这段时间中间时刻的瞬时速度求得各计数点1、2、3、4、5的瞬时速度,填入上面的表格中. 7.增减所挂钩码数,再做两次实验. 五、数据处理 由实验数据得出v-t图像. (1)根据表格中的v、t数据,在平面直角 坐标系中仔细描点，如图—1—3可以看到,对于每次实验,描出的几个点都大致落在一条直线上. 图—1—3 (2)做一条直线,使同一次实验得到的各点尽量落到这条直线上,落不到直线上的点,应均匀分布在直线的两侧,这条直线就是本次实验v-t图像，它是一条倾斜的直线. 六、实验结论 由实验得出的v-t图像进一步得出小车运动的速度随时间变化的规律. 有两条途径进行分析： (1) 小车运动的v-t图像是一条倾斜的 直线如图—1—4，当时间增加相同的 值Δt,速度也会增加相同的值Δv,由此 得出结论：小车的速度随时间均匀变化. 图—1—4 (2)既然小车的v-t图像是一条倾斜的直线,那么v随t变化的函数关系式为v=kt+b,所以小车的速度随时间均匀变化. 七、实验误差 1、打点计时器的计时误差. 2、纸带的测量误差. 3、用作图法，画出的v-t图像不是直线 4、木板的粗糙程度并非完全相同 八、注意事项 1.纸带和细绳要和木板平行,小车运动要平稳. 2.实验中应先接通电源,后让小车运动;实验后应先断开电源后取纸带. 3.要防止钩码落地和小车与滑轮相撞. 4.小车的加速度宜适当大些,可以减小长度的测量误差,加速度大小以能在约50 cm的纸带上清楚地取出6～7个计数点为宜. 实验附录：两种打点计时器 打点计时器是一种测量时间的工具。如果运动物体带动的纸带通过打点计时器，在纸带上打下的点就记录了物体运动的时间，纸带上的点也相应的表示出了运动物体在不同时刻的位置。研究纸带上的各点间的间隔，就可分析物体的运动状况。 两种打点计时器： （1） 电磁打点计时器： 电磁打点计时器是一种使用交流电源（学生电源）的计时仪器，其工作电压小于6V，一般是4~6V，电源的频率是50Hz，它每隔0.02s打一次点。即一秒打50个点。 工作原理：电磁打点计时器的结构如上图所示：通电以前，把纸带穿过限位孔，再把套在轴上的复写纸片压在纸带上面，接通电源后，在线圈和永久磁铁的作用下，振片便振动起来，带动其上的振针上下振动，这时，如果纸带运动，振针就通过复写纸在纸带上留下一行小点。 如果把纸带和运动的物体连在一起，即由物体带动纸带一起运动，纸带上各点之间的距离就表示相应时间间隔中物体的位移，由这些点的位置，我们就可以了解物体的运动情况， （2）、电火花打点计时器 电火花打点计时器的计时原理与电磁打点计时器的原理相同，不过在纸带上打点的不是振针和复写纸，而是电火花和墨粉， 使用时，墨粉纸套在纸盘轴上，把纸带穿过限位孔（如下图所示），当接通电源，按下脉冲输出开关时，计时器发出的脉冲电流经放电针、墨粉纸盘到纸盘轴，产生火花放电，于是在运动的纸带上便打出一行点迹，当电源的频率为50Hz时，每隔0.02s打一次点。 这种计时器工作时，纸带运动受到的阻力较小。 电磁打点计时器和电火花打点计时器在实验中的作用是相同的，所以今后的叙述中不再区分，统称打点计时器。 实验二、探究弹力和弹簧伸长量的关系 【实验目的】 1.探究弹力和弹簧伸长量之间的关系. 2.学会利用图像法处理实验数据. 【实验原理】 1. 如图1所示,在弹簧下端悬挂钩码时弹簧 会伸长,平衡时弹簧产生的弹力与所挂钩码 的重力大小相等. 2. 弹簧的长度可用刻度尺直接测出,伸长量可 图1 以由拉长后的长度减去弹簧原来的长度进行计算.建立坐标系，以纵坐标表示弹簧的弹力大小F，以横坐标表示弹簧的伸长量x，在坐标系中描出实验中所测得的各组（x，F）所对应的点，用平滑的曲线连接起来，根据实验所得的曲线，就可以知道弹簧的弹力和伸长量之间的关系。 【实验器材】 铁架台、弹簧、毫米刻度尺、钩码若干、三角板、坐标纸、重垂线、铅笔. 【实验步骤】 1.将弹簧的一端挂在铁架台上,让其自然下垂,用刻度尺测出弹簧自然伸长状态时的长度l0,即原长. 2.如图2所示,在弹簧下端挂质量为m1的钩码，量出此时弹簧的长度l1，记录m1和l1，填入自己设计的表格中. 3.改变所挂钩码的质量,量出对应的弹簧长度, 记录m2、m3、m4、m5和相应的弹簧长度l2、 l3、l4、l5,并得出每次弹簧的伸长量x1、x2、 x3、x4、x5. 图2 【数据处理】 1.以弹力F(大小等于所挂钩码的重力)为纵坐标,以弹簧的伸长量x为横坐标,用描点法作图.连接各点,得出弹力F随弹簧伸长量x变化的图线. 2.以弹簧的伸长量为自变量，写出曲线所代表的函数.首先尝试一次函数,如果不行则考虑二次函数. 3.得出弹力和弹簧伸长之间的定量关系,解释函数表达式中常数的物理意义. 【误差分析】 1.弹簧拉力大小的不稳定会造成误差.因此,使弹簧的悬挂端固定,另一端通过悬挂钩码来充当对弹簧的拉力,待稳定后再读数可以提高实验的准确度. 2.尽量精确地测量弹簧的长度，也是减小实验误差的基本方法. 3.描点、作图不准确. 【注意事项】 1.所挂钩码不要过重,以免弹簧被过分拉伸,超出它的弹性限度.要注意观察,适可而止. 2.每次所挂钩码的质量差尽量大一些,从而使坐标上描的点的间距尽可能大,这样做出的图线更精确. 3.测弹簧长度时,一定要在弹簧竖直悬挂且处于平衡状态时测量,以免增大误差. 4.描点画线时,所描的点不一定都落在一条曲线上,但应注意一定要使各点均匀分布在曲线的两侧. 5.记录数据时要注意弹力及弹簧伸长量的对应关系及单位. 实验三，验证力的平行四边形定则 【实验目的】 1.验证力的平行四边形定则。 2.掌握弹簧秤的构造、调节方法和使用方法。 【实验原理】 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拉伸到某点，所以F′为F1和F2的合力．作出F′的图示，再根据平行四边形定则作出F1和F2的合力F的图示，比较F′和F是否大小相等，方向相同．如果在误差范围内，F′和F相同，那么力的平行四边形定则就正确． 【实验器材】 　 方木板、白纸、弹簧测力计即弹簧秤(两只)、三角板、刻度尺、图钉(几个)、细芯铅笔、橡皮条、细绳套(两个)． 弹簧测力计测力原理是根据胡克定律，其适用范围是在弹性限度内，刻度是0～5 N，分度值是0.1 N，它的拉杆和钩的质量较大，且零点是在竖直情况下校准的，因此水平使用时要重新调零点．弹簧测力计的伸长方向要和所测拉力方向一致，弹簧测力计、指针、拉杆都不要与刻度板和刻度板末端的限位卡发生摩擦． 【实验步骤】 1．用图钉把白纸钉在水平桌面的方木板上． 2．用图钉把橡皮条的一端固定在A点，橡皮条的另一端拴上两个细绳套． 3．用两只弹簧测力计分别钩住细绳套， 互成角度拉橡皮条，将结点拉到某一位 置O，如图－3－1所示，记录两弹簧 测力计的读数，用铅笔描下O点的位 置及此时两条细绳套的方向． 图—3—1 4．用铅笔和刻度尺从结点O沿两条细绳方向画直线，按选定的标度作出这两只弹簧测力计的读数F1、F2的图示，并以F1和F2为邻边用刻度尺和三角板作平行四边形，过O点画平行四边形的对角线，即为合力F的图示． 5．只用一只弹簧测力计钩住细绳套，把橡皮条的结点拉到同样位置O，记下弹簧测力计的读数和细绳的方向，用刻度尺从O点按选定的标度沿记录的方向作出这只弹簧测力计的拉力F′的图示． 6．比较一下．力F′与用平行四边形定则求出的合力F的大小和方向． 7．改变两个力F1、F2的大小和夹角，重复实验两次． 一、弹簧秤的选用 1．弹簧测力计的选取方法是：将两只弹簧测力计调零后互钩水平对拉，若两只弹簧在对拉过程中，读数相同，则可选；若读数不同，应另换，直至相同为止． 2．弹簧测力计不能在超出它的测量范围的情况下使用． 3. 使用前要检查指针是否指在零刻度线上，否则应校正零位(无法校正的要记录下零误差)． 4．被测力的方向应与弹簧测力计轴线方向一致，拉动时弹簧不可与外壳相碰或摩擦． 5．读数时应正对、平视刻度． 二、注意事项 1．不要直接以橡皮条端点为结点，可拴一短细绳连两细绳套，以三绳交点为结点，应使结点小些，以便准确地记录结点O的位置． 2．在同一次实验中，使橡皮条拉长时结点O的位置一定要相同．(保证作用效果相同) 3．不要用老化的橡皮条，检查方法是用一个弹簧测力计拉橡皮条，要反复做几次，使橡皮条拉到相同的长度看弹簧测力计读数有无变化． 4．细绳套应适当长一些，便于确定力的方向．不要直接沿细绳套的方向画直线，应在细绳套末端用铅笔画一个点，去掉细绳套后，再将所标点与O点连直线确定力的方向． 5．在同一次实验中，画力的图示所选定的标度要相同，并且要恰当选取标度，使所作力的图示稍大一些． 6．用两个弹簧测力计勾住细绳套互成角度地拉橡皮条时，其夹角不宜太小，也不宜太大，以60到100之间为宜． 三、实验误差分析 1．弹簧测力计使用前没调零会造成系统误差． 2．使用中，弹簧测力计的弹簧和外壳之间、指针和外壳之间或弹簧测力计外壳和纸面之间有摩擦力存在会造成系统误差． 3．两次测量拉力时，橡皮条的结点O没有拉到同一点会造成偶然误差． 4．读数时眼睛一定要正视，要按有效数字正确读数和记录，两力的对边一定要平行，否则会造成误差． 5．在应用平行四边形定则作图时，F1、F2及合力F作图不准确 实验四。验证牛顿运动定律 【实验目的】 1.学会用控制变量法研究物理规律; 2.探究a与F、M的关系; 3.掌握利用图象处理数据的方法. 【实验原理】 1.探究a与F、M的关系的实验依据是牛顿运动定律,即F=Ma,当研究对象有两个以上的参量发生变化时,设法控制某些参量使之不变,而研究另外两个参量之间的变化关系的方法叫控制变量法.本实验中有力F、质量M和加速度a三个变量,研究加速度a与F及M的关系时,先控制质量M不变,讨论加速度a与力F的关系;然后再控制力F不变,讨论加速度a与质量M的关系 2.实验中需要测量的物理量和测量方法是:小车及砝码的总质量M;用天平测出.小车受到的拉力F认为等于托盘和砝码的总重力mg.，小车的加速度a利用纸带根据Δx=aT2计算. 【实验器材】 打点计时器、纸带、复写纸片、小车、一端附有定滑轮的长木板、重物、夹子、细绳、低压交流电源、导线、天平(带有一套砝码)、刻度尺、砝码 【实验步骤和数据处理】 1.用天平测出小车和砝码的总质量M,小盘和砝码的总质量m,把数值记录下来. 2.按如图—4—1所示把实验器材安装好,只是不把悬挂小盘的细绳系在车上,即不给小车施加牵引力. 3.平衡摩擦力:在长木板不带定滑轮的一端下面垫一块木板.反复移动木板的位置,直至小车在斜面上运动时可以保持匀速直线运动状态.这时,小车拖着纸带运动时受到的摩擦阻力恰好与小车所受的重力在斜面方向上的分力平衡. 图—4—1 4.把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂小盘,先接通电源再放开小车,打点计时器在纸带上打下一系列的点,打完点后切断电源,取下纸带,在纸带上标上纸带号码. 5.保持小车和砝码的质量不变,在小盘里放入适量的砝码,把小盘和砝码的总质量m′记录下来,重复步骤4.在小桶内再放入适量砝码,记录下小盘和砝码的总质量m″,再重复步骤4. 6.重复步骤5三次,得到四条纸带 7.在每条纸带上都选取一段比较理想的部分,标明计数点,测量计数点间的距离,算出每条纸带上的加速度的值. 8.用纵坐标表示加速度a,横坐标表示作用力F,作用力的大小F等于小盘和砝码的总重力,根据实验结果在坐标平面上画出相应的点,如果这些点是在一条过原点的直线上,便证明了加速度与作用力成正比 交流与思考:若由实验结果画出的小车运动的a—F图线和a—图线是一条并不过原点的直线, 则是由于平衡摩擦力不够或平衡摩擦力过量引起的，下面左图中表示的是小盘的拉力为0时，小车已经具有了加速度，说明木板的倾斜角过大，平衡摩擦力过量，下面右图表示的是小车的质量减小到一定值时（即增大到一定值时）小车才开始有加速度，说明木板的倾角过小，平衡摩擦力不够。 【误差分析】 1.质量的测量误差,纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差,拉线或纸带不与木板平行等都会造成误差. 2.因实验原理不完善造成误差 本实验中用小盘和砝码的总重力代替小车受到的拉力(实际上小车受到的拉力要小于小盘和砝码的总重力),存在系统误差.小盘和砝码的总质量越接近小车的质量,误差就越大;反之,小盘和砝码的总质量越小于小车的质量,误差就越小. 3.平衡摩擦力不准造成误差 在平衡摩擦力时,除了不挂小盘外;其他的都跟正式实验一样(比如要挂好纸带,接通打点计时器),匀速运动的标志是打点计时器打出的纸带上各点的距离相等. 交流与思考:为何小盘及砝码的重力不等于绳子的拉力？如何才能减小由此造成的测量误差？ 提示:令小车带上纸带在斜面上平衡阻力后挂上小盘,使小车和小盘一起加速运动时绳的拉力大小为FT,小车总质量为M,小盘及砝码总质量为m,它们的加速度为a,由牛顿第二定律,对M有FT=Ma 对m有mg-FT=ma 联立解得FT= 可见,欲使FT≈mg,则必有 →0,故有m≤M为条件.实验操作中一般保持M＞20m,否则,系统误差较大. 【注意事项】 1.一定要做好平衡摩擦力的工作,也就是调出一个合适的斜面,使小车的重力沿着斜面方向的分力正好平衡小车受的摩擦阻力.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,并要让小车拖着打点的纸带运动. 2.实验步骤2、3不需要重复,即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. 5.作图像时,要使尽可能多的点分布在所作直线上,不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线两侧. 6.作图时两轴标度比例要选择适当,各量须采用国际单位.这样作图线时,坐标点间距不至于过密,误差会小些. 7.为提高测量精度 (1)应舍掉纸带上开头比较密集的点,在后边便于测量的地方找一个起点. (2)可以把每打五次点的时间作为时间单位,即从开始点起,每五个点标出一个计数点,而相邻计数点间的时间间隔为T=0.1 s. 实验五：验证动能定理 实验目的： 1．通过实验探究外力对物体做功与物体速度变化的关系． 2. 通过实验数据分析，总结出做功与物体速度平方的正比关系 3．学习利用图象处理数据． 实验原理： 探究功与物体动能变化的关系，可通过改变力对物体做的功，测出力对物体做不同的功时物体的速度，如图所示，小车在橡皮筋的作用下弹出，沿木板滑行，当我们用2条、3条……同样的橡皮筋进行第2次、第3次……实验时，每次实验中橡皮筋拉伸的长度都保持一致，那么第2次、第3次……实验中橡皮筋对小车做的功就是第1次的2倍、3倍……如果把第1次实验时橡皮筋的功记为W，以后各次的功就是2W、3W…… 由于橡皮筋做功而使小车获得的速度可以由打点计时器打出的纸带测出，这样进行若干次测量，就得到若干组功和速度的数据． 以橡皮筋对小车做的功为纵坐标，小车获得的速度为横坐标，作出W—v图线，分析这条图线，可以得知橡皮筋对小车做的功与小车获得的速度的定量关系。 实验器材： 打点记时器(纸带、复写纸)、小车(前有小钩)、电源及导线，砝码、5～6 条等长橡皮筋、刻度尺、长木板、铁钉等． 实验步骤： (1)按图所示将实验仪器安装好，同时平衡摩擦力． (2)先用一条橡皮筋做实验，用打点计时器和纸带测出小车获得的速度 v1，设此时橡皮筋对小车做的功为 W1，将这一组数据记入表格． (3)用 2 条橡皮筋做实验，实验中橡皮筋拉伸的长度与第一次相同，这样橡皮筋对小车做的功为 W2，测出小车获得的速度v2，将数据记入表格． (4)用3条、4条…做实验，用同样的方法测出功和速度，记入表格． 实验分析： （1）数据分析 图5—5—3 ②实验数据记录：建立上述表格．求出v2值。 ③在坐标纸上分别作出 W－v 和 W－v2图线，以一条橡皮筋做的功为单位． （2）实验结论：从实验结果看出，功 W 与速度 v 的平方成正比，即 W∝v2。 误差分析： ① 橡皮筋的粗细不一致，导致做的功与条数不成正比； ② 平衡摩擦力时，木板倾角过大或过小； ③测量纸带上的各点之间间距时有误差； ④纸带上的点没有对应小车匀速运动时刻． 注意事项： (1)平衡摩擦力很关键，将木板一端垫高，使小车的重力沿斜面向下的分力与摩擦阻力平衡．方法是轻推小车，由打点计时器打在纸带上的点的均匀程度判断小车是否匀速运动，找到木板一个合适的倾角． (2)测小车速度时，纸带上的点应选均匀部分的，也就是选小车做匀速运动状态的． (3)橡皮筋应选规格一样的．力对小车做的功以一条橡皮筋做的功为单位即可，不必计算出具体数值 (4)小车质量应大一些，使纸带上打的点多一些． 实验六：验证机械能守恒 实验目的 验证机械能守恒定律 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可以相互转化，但总的机械能守恒。设某时刻物体的瞬时速度为V，下落高度为h，则重力势能的减少量为mgh，动能的增加量为mv2/2，看它们在实验误差允许的范围内是否相等，若相等则验证了机械能守恒定律。 计算打第n个点时的瞬时速度方法是：测出第n个点的相邻前后两段相等时间T内下落的距离Sn和Sn+1，由公式 或 算出，如下图所示。 实验器材： 铁架台（带铁夹）、电火花计时器或打点计时器、直尺、重锤、纸带、复写纸片、导线、电源。 实验步骤： 1、如图所示，把打点计时器竖直地固定在置于桌边的铁架台上，将打点计时器与电源连接好。 2、将纸带穿过电火花记时器或打点计时器的限位孔，并把纸带的一端固定在重物上，使重物停靠在打点计时器的地方，先用手提着纸带。接通电源，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落，计时器就在纸带上打下一列小点。 更换纸带重复做3次～5次实验． 3、选纸带：分两种情况说明 (1)用 验证时，应选点迹清晰，且1、2两点间距离小于或接近2 mm的纸带．若1、2两点间的距离大于2 mm，这是由于先释放纸带，后接通电源造成的．这样，第1个点就不是运动的起始点了，这样的纸带不能选． (2)用＝mgΔh验证时，由于重力势能的相对性，处理纸带时，选择适当的点为基准点，这样纸带上打出的第1、2两点间的距离是否为2 mm就无关紧要了，所以只要后面的点迹清晰就可选用． 数据处理： 方法一：利用起始点和第n点计算．代入和，如果在实验误差允许的范围内，和相等，则说明机械能守恒定律是正确的． 方法二：任取两点计算 (1)任取两点A、B测出hAB，算出ghAB. (2)算出 的值 (3)如果在实验误差允许的范围内，ghAB=则说明机械能守恒定律是正确的． 方法三：图像法．从纸带上选取多个点，测量从第一点到其余各点的下落高度h，并计算各点速度的平方v2，然后以为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出－h图线．若在误差允许的范围内图像是一条过原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒． 误差分析： 1．本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力(空气阻力、打点计时器阻力)做功，故动能的增加量ΔEk稍小于重力势能的减少量ΔEp，即ΔEk<ΔEp，这属于系统误差．改进的办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力． 2．本实验的另一个误差来源于长度的测量，属偶然误差．减小误差的办法是测下落距离时都从O点量起，一次将各打点对应的下落高度测量完，或者多次测量取平均值． 注意事项： 1．应尽可能控制实验条件，即应满足机械能守恒的条件，这就要求尽量减小各种阻力的影响，采取的措施有： (1)安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中线严格竖直，以减小摩擦阻力． (2)应选用质量和密度较大的重物，增大重力可使阻力的影响相对减小，增大密度可以减小体积，可使空气阻力减小． 2．实验中，提纸带的手要保持不动，且保证纸带竖直．接通电源后，打点计时器工作稳定后再松开纸带． 3．测量下落高度时，为了减小测量值h的相对误差，选取的各个计数点要离起始点远一些，纸带也不易过长，有效长度可在60 cm～80 cm之间． 4．速度不能用或计算，因为只要认为加速度为g，机械能当然守恒，即相当于用机械能守恒定律验证机械能守恒定律，况且用计算出的速度比实际值大，会得出机械能增加的错误结论，而因为摩擦阻力的影响，机械能应该减小，所以速度应从纸带上直接测量计算．同样的道理，重物下落的高度h，也只能用刻度尺直接测量，而不能用计算得到。