夏良英

(廣東省深圳市龍華高級中學,廣東 深圳 518109)

1 問題的提出

實驗教學是物理教學內容的重要組成,是落實物理課程目標,全面提高學生科學素養(yǎng)的重要途徑．關于實驗能力,高考考試大綱上要求學生能靈活地運用學過的理論、實驗方法、儀器去處理、分析．實驗題命題特點側重基本儀器的使用,實驗演變一是從器材入手,二是從實驗原理和設計方法的變化入手．

同一實驗裝置(如圖1)可以設計探究多個實驗,例如下列實驗裝置,稍為變形就可以用于這5個實驗:“研究勻變速直線運動”、“驗證牛頓運動定律”、“測量滑塊與長木板之間的動摩擦因數(shù)”、“探究動能定理實驗”、“驗證系統(tǒng)機械能守恒定律”.

圖1

但因為實驗的目的不同,原理不同,所以裝置的細節(jié)各不相同,處理數(shù)據(jù)的方法也不同．

在這幾個實驗中,學生主要分不清兩個問題: (1) 需不需要平衡摩擦力?(2) 需不需小車的質量遠大于鉤碼的質量?因此在這里我們需要關注一下實驗圖的變形．

2 4個相似的實驗裝置圖

圖1-圖4最大的特點就是相似,大同小異,我們先來看一下各個圖中每個器材出現(xiàn)的作用，這個器材是否可以用其他器材取代.

小車的作用:研究對象;鉤碼的作用:提供動力,讓小車做加速運動;打點計時器和紙帶的作用:記錄小車的運動情況,計算速度和加速度．

圖2

圖3

圖4

小車可以用滑塊替代,鉤碼可以用砂桶或托盤和砝碼替代,打點計時器和紙帶可以用滴水計時器、速度傳感器 、位移傳感器(接收器和發(fā)射器)、光電門來替代．

從“圖1”到“圖2”的區(qū)別就在于:多了木塊使木板傾斜用來平衡摩擦力．我們可以用氣墊導軌來平衡摩擦力從而就不需要木塊(或者替代長木板),其他的地方均沒有變．

從“圖2”到“圖3”區(qū)別在于:多了力傳感器．力傳感器直接可以讀出拉力的大小,因此做實驗的時候不需要近似處理讓T≈mg,也就不需要滿足M?m這個條件．

3 5個實驗對比

在實驗圖“變形”之前我們需要厘清這幾個問題: (1) 是否需要平衡摩擦力，從而決定是否需要墊木塊或者用氣墊導軌; (2) 是否需要近似拉力大小，從而決定是否需要力傳感器．

3.1 研究勻變速直線運動(見表1)

表1

3.2 測量小車與木板間的動摩擦因數(shù)(見表2).

表2

3.3 驗證牛頓運動定律(見表3).

表3

例1.圖2為“驗證牛頓第二定律”的實驗裝置示意圖.砂和砂桶的總質量為m,小車和砝碼的總質量為M.實驗中用砂和砂桶總重力的大小作為細線對小車拉力的大小.

(1) 實驗中,為了使細線對小車的拉力等于小車所受的合外力,先調節(jié)長木板一端滑輪的高度,使細線與長木板平行.接下來還需要進行的一項操作是

(A) 將長木板水平放置,讓小車連著已經(jīng)穿過打點計時器的紙帶,給打點計時器通電,調節(jié)m的大小,使小車在砂和砂桶的牽引下運動,從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運動.

(B) 將長木板的一端墊起適當?shù)母叨?讓小車連著已經(jīng)穿過打點計時器的紙帶,撤去砂和砂桶,給打點計時器通電,輕推小車,從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運動.

(C) 將長木板的一端墊起適當?shù)母叨?撤去紙帶以及砂和砂桶,輕推小車,觀察判斷小車是否做勻速運動.

(2) 實驗中要進行質量m和M的選取,以下最合理的一組是

(A)M=200 g,m=10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 g.

(B)M=200 g,m=20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g.

(C)M=400 g,m=10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 g.

(D)M=400 g,m=20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g.

解析:此題目中明確說明了實驗中用砂和砂桶總重力的大小作為細線對小車拉力的大小,因此需要平衡摩擦力,需要滿足M?m．

例2.如圖5為用拉力傳感器和速度傳感器探究“加速度與物體受力的關系”實驗裝置,用拉力傳感器記錄小車受到拉力的大小,在長木板上相距L=48.0 cm的A、B兩點各安裝一個速度傳感器,分別記錄小車到達A、B時的速率． (1) 實驗主要步驟如下:

① 將拉力傳感器固定在小車上,______(“需要”或“不需要”)滿足小車質量遠大于鉤碼總質量.

圖5

② 平衡摩擦力,讓小車做________運動;

③ 把細線的一端固定在拉力傳感器上,另一端通過定滑輪與鉤碼相連;

④ 接通電源后自C點釋放小車,小車在細線拉動下運動,記錄細線拉力F的大小及小車分別到達A、B時的速率vA、vB;

⑤ 改變所掛鉤碼的數(shù)量,重復④的操作.

解析:題目中第1句話已明確說了用拉力傳感器和速度傳感器探究,直接可以讀出拉力大小,所以不需要滿足M?m．

3.4 探究動能定理(見表4)

表4

3.4 驗證系統(tǒng)的機械能守恒定律(見表5)

表5

當學生面對這么多的物理實驗裝置圖,一會兒有“教材原型實驗”,一會兒又有“實驗拓展創(chuàng)新實驗”,都似曾相似,容易混淆,因此在教學中,我們通過從實驗圖的變形,關注實驗細節(jié),找它們的不同點,逐個分析,相信學生在做到類似的實驗題時,就會很清晰,迎刃而解了．