■李樹祥(特級教師 正高級教師)

實驗是高中物理學科的重要內容,也是同學們學習中的難點之一。如何學會實驗?這就需要掌握實驗學習的順序,即先根據實驗目的確定實驗原理,根據實驗原理確定實驗儀器;再遵循“儀器安裝→開始測量→數據處理→得出結論→整理儀器”的實驗步驟完成實驗;然后進行實驗反思,反思實驗的誤差來源和需要注意的問題;最后通過習題進行鞏固訓練。現以“實驗:探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”為例分析如下。

實驗目的:探究小車速度隨時間變化的規(guī)律。

實驗原理:根據小車不同時刻的速度,畫出v-t圖像,分析得出小車速度隨時間的變化規(guī)律。要想得出小車的速度,則可以利用不同的原理,比如用位移傳感器得出,用頻閃照相法得出等。

實驗器材:小車,用作軌道的一端帶有定滑輪的長木板,細繩,槽碼,打點計時器和交流電源,導線,復寫紙,紙帶,毫米刻度尺等。

實驗步驟:

1.儀器安裝:把帶有定滑輪的長木板平放在實驗桌上,并使滑輪伸出桌面,把打點計時器固定在長木板上沒有滑輪的一端,連接好電路。把細繩一端拴在小車上,另一端跨過定滑輪掛上合適的槽碼,把紙帶穿過打點計時器,并把紙帶的一端固定在小車的后面。調整滑輪的高度,使細繩與長木板平行。

2.開始測量:把小車放在靠近打點計時器處,先接通電源,后放開小車,讓小車拖著紙帶運動,打點計時器就在紙帶上打下一系列的點。關閉電源,取下打好點的紙帶,增減所掛的槽碼或在小車上放置重物,換上新紙帶,重復操作兩次。

3.數據處理:從三條紙帶中選擇一條比較理想的紙帶,舍掉開始段一些過于密集的點,在便于測量的地方找一個計時起點,依次每隔四個點取一個計數點,并標明0、1、2、3、4、…,測量各計數點到0點的距離x;計算出相鄰兩計數點之間的距離Δx1、Δx2、Δx3、…,利用一段時間內的平均速度等于這段時間中間時刻的瞬時速度求得小車在各計數點1、2、3、4、…處的瞬時速度;采用描點法畫出v-t圖像。

4.得出結論:如果得出的v-t圖像是一條傾斜的直線,說明小車的速度隨時間均勻增加,即小車做勻加速直線運動。

5.實驗結束,整理儀器。

誤差分析:利用紙帶上的點測量位移時會存在誤差;電源頻率不穩(wěn)定,會造成打下相鄰兩點的時間間隔不完全相等;紙帶運動時打點不穩(wěn)定,會引起測量誤差;用描點法作出的v-t圖像并不是一條傾斜直線,說明存在誤差。

注意事項:

1.紙帶和細繩要和長木板平行,釋放小車前,小車要靠近打點計時器。

2.實驗中,應先接通電源,后讓小車運動;實驗完畢,應先斷開電源,后取紙帶。

3.在小車到達長木板末端前,應讓小車停止運動,防止槽碼落地或小車與滑輪相撞。

4.小車所掛槽碼的質量要適當,避免小車速度過大而使紙帶上打的點太少,或小車速度過小而使紙帶上打的點過密。以能在約50cm 長的紙帶上清楚地取出6個或7個計數點為宜。

5.選擇一條點跡清晰的紙帶,舍棄點跡密集部分,適當選取計數點,不要混淆計數點和計時點。計時點是打點計時器打在紙帶上的實際點,當電源頻率為50Hz時,打下相鄰兩點的時間間隔為0.02s;計數點是根據需要而選擇的點,相鄰兩計數點之間的時間間隔由選擇間隔實際點的個數確定。

6.作圖時,在坐標紙上,縱、橫軸應選取合適的單位長度(避免因所描點過密或過疏,而導致誤差過大),仔細描點,連線時不能連成折線,而應作一條直線,讓各點盡量落到這條直線上,落不到直線上的點應大致均勻地分布在直線的兩側,偏差太大的點應舍去。

例題用如圖1所示的實驗裝置研究小車速度隨時間變化的規(guī)律。

圖1

主要實驗步驟如下:

A.安裝好實驗器材。接通電源后,讓拖著紙帶的小車沿長木板運動,重復幾次。

B.選出一條點跡清晰的紙帶,找一個合適的點作為計時起點O(t=0),然后每隔相同的時間間隔T選取一個計數點,如圖2中A、B、C、D、E、F、…所示。

圖2

C.通過測量、計算得到在打A、B、C、D、E、…點時小車的速度,分別記為v1、v2、v3、v4、v5、…。

D.以速度v為縱軸、時間t為橫軸建立直角坐標系,在坐標紙上描點,如圖3所示。

結合上述實驗步驟,完成下列任務:

圖3

(1)在下列器材中,還需要使用的有_____和_____。

A.電壓合適,頻率為50Hz的交流電源

B.電壓可調的直流電源

C.刻度尺

D.秒表

E.天平(含砝碼)

(2)實驗中必要的措施是_____。

A.細繩必須與長木板平行

B.先接通電源,再釋放小車

C.小車的質量遠應大于槽碼的質量

D.平衡小車與長木板之間的摩擦力

(3)下列說法中錯誤的是____。

A.長木板不能側向傾斜,也不能一端高一端低

B.在釋放小車前,小車應停在靠近打點計時器處

C.實驗完畢,應先取下紙帶,后斷開電源

D.要在小車到達定滑輪處前使小車停止運動

(4)在圖3中已標出與計數點A、B、D、E對應的坐標點,請在該圖中標出與計數點C對應的坐標點,并畫出v-t圖像。

(5)觀察v-t圖像,可以判斷小車做勻變速直線運動,其依據是_____。v-t圖像斜率的物理意義是____。

(6)描繪v-t圖像前,還不知道小車是否做勻變速直線運動。用平均速度表 示打各計數點時小車的瞬時速度,從理論上講,對Δt的要求是_____(選填“越小越好”或“與大小無關”);從實驗的角度看,選取的Δx大小與速度測量的誤差____(選填“有關”或“無關”)。

(7)實驗時,采用(1)問中選用的合適電源,得到的一條紙帶的部分計數點如圖4 所示(相鄰兩計數點間還有4 個點未畫出),經測量得知x1=3.59cm,x2=4.41cm,x3=5.19cm,x4=5.97cm,x5=6.78cm,x6=7.64cm,則小車的加速度a=_____m/s2(要求充分利用測量數據),打B點時小車的速度vB=_____m/s。(結果均保留兩位有效數字)

圖4

(8)早在16 世紀末,伽利略就猜想落體運動的速度應該是均勻變化的。當時只能靠滴水計時,為此他設計了“斜面實驗”,反復做了上百次,驗證了他的猜想。請你結合勻變速直線運動的知識,分析說明如何利用伽利略“斜面實驗”檢驗小球的速度是隨時間均勻變化的:___。

解析

(1)打點計時器需用交流電源供電;打點計時器可以計時,故不需要秒表;本實驗不需要測量質量,故不需要天平;為了計算速度需要利用刻度尺測量長度。選A、C。

(2)實驗時,細繩必須與長木板平行,以減小實驗誤差;實驗時,要先接通電源,再釋放小車;此實驗中,沒有必要使小車的質量遠大于槽碼的質量,也不需要平衡小車與長木板之間的摩擦力。選A、B。

(3)長木板不能側向傾斜,但可以一端高一端低;在釋放小車前,小車應靠近打點計時器;實驗完畢,應先斷開電源,后取下紙帶;要在小車到達定滑輪處前使小車停止運動,以防止碰撞。選A、C。

(4)C點的橫坐標為3T,縱坐標為v3,利用點跡連線得到v-t圖像,如圖5所示。

(5)觀 察v-t圖像可以看出小車的速度隨時間均勻變大,說明小車做勻加速直線運動。v-t圖像的斜率表示小車的加速度。

圖5

(6)Δt越小,則越接近打計數點時小車的瞬時速度,因此Δt越小越好;計算速度需要用到Δx的測量值,因此Δx的大小與速度測量的誤差有關。

(7)因為合適電源的頻率為50Hz,所以相鄰兩計數點之間的時間間隔T=1s。根據逐差法得a==0.80m/s2,根據平均速度法得vB==0.40m/s。

(8)如果小球的初速度為0,其速度v∝t,那么它通過的位移x∝t2。因此,只要測量小球通過不同位移所用的時間,就可以檢驗小球的速度是否隨時間均勻變化。