学生实验教学设计

力学实验

教学目标www.ks5u.com 1．通过对实验的复习，做到对力学中的学生实验明确实验目的，掌握实验原理，学会实验操作，正确处理实验数据．

2．进一步学习用实验处理问题的方法，体会实验在物理学中的重要地位．

3．掌握实验操作方法，培养动手操作的能力．

4．通过对力学中学生实验的比较，知道所涉及到实验的类型．

5．在掌握课本上所给学生实验的基础上，灵活应用所学知识解决其它问题．

教学重点、难点分析

1．理解实验的设计思想，不但要知道怎样做实验，更应该知道为什么这样做实验．

2．掌握正确的实验操作，是完成实验的最基本要求，对学生来说也是难度较大的内容，一定要让学生亲自动手完成实验．

3．处理数据时，要有误差分析的思想，要能够定性地分析在实验中影响实验误差的条件．

教学过程设计

教师活动

说明：在力学中一共有八个实验是高考中要求的实验，在做实验复习时，要明确实验目的，掌握实验原理，理解地记住实验步骤，处理好实验数据．在实验复习中，实验操作是必不可少的．按照考纲中的顺序，我们一起来复习力学中所涉及的实验．

[实验一]

互成角度的两个共点力的合成

此实验的目的是验证力合成的平行四边形法则．

请一个同学把实验器材和主要实验步骤简述一下．

回答：实验器材有木板、白纸、图钉、带细线的橡筋、弹簧秤等．

安装好器材，如图1-8-1所示，用两个弹簧秤把橡皮筋的一端拉到O点，记下两个力的大小和方向．再用一个弹簧秤把橡皮筋的一端拉到O点．设定力的长度单位，利用力的图示的方法分别作出分力与合力．用平行四边形法则作出两个分力的合力．比较直接测得的合力与用平行四边形法则得到的合力的大小和方向，可以确定在误差范围内，力的合成满足平行四边形法则．

例：在做共点的两个力的合成的实验时，如果只给一个弹簧秤能否完成这个实验？

回答：可以．可先做出两个分力的方向，把两根细线向着两个分力的方向去拉，一只手直接拉线，另一只手通过弹簧秤拉线记下拉力的大小，然后把弹簧秤放到另一根线上重复实验．只要总把橡皮筋的一端拉到O点，合力的大小和方向就是不变的．两次拉两根线的方向都相同，两个分力的方向是不变的，两个分力的大小也是保持不变的，可用弹簧秤分别测出两个分力的大小．

实验操作：用所给器材完成此实验．

[实验二]

练习使用打点计时器

[实验三]

测定匀变速直线运动的加速度

这两个实验都是练习使用打点计时器的实验，我们一起复习．

提问：打点计时器的作用和使用方法．

给出一条打好点的纸带如图1-8-2所示．

回答：打点计时器是测量时间的工具．把纸带跟运动物体连接在一起，利用打点计时器在纸带上记录下物体的运动情况．打点计时器使用交流6V电源，打点的频率为50Hz，周期为0.02s．

提问：（1）怎样利用纸带判断物体是在做匀变速运动？

回答：把纸带上的点标上A、B、C、D、E，各点间的距离分别为s1、s2、s3、s4．如果满足△s=s2-s1=s3-s2=s4-s3，则物体做匀变速直线运动．

（2）怎样计算做匀变速直线运动的物体在某个位置时的速度？

利用这条纸带可计算出物体过某一点的速度，如计算B点时的速度公式为VB=（s1+s2）/2t．

（3）怎样计算它的加速度？

计算物体的加速度有两种方法，可以利用公式△s=at2计算，也可以用a=（VC-VB）/t计算．

例：利用打点计时器测自由落体的加速度，重锤下落时打出一条纸带如图1-8-3所示，计算重力加速度的数值

解：可先算出B点和C点的速度

VB=（0.2736-0.1900）/（2×0.02）

=2.09（m/s）

VC=（0.3211-0.2299）/（2×0.02）

=2.28（m/s）

g=（2.28-2.09）/0.02=9.50（m/s2）

[实验四]

验证牛顿第二运动定律

提问：验证牛顿第二定律的实验要证明哪两个关系？实验装置如图1-8-4所示．

问答：通过实验要验证物体的加速度跟物体所受的合外力成正比，跟物体的质量成反比这样两个关系．

提问：安装好实验装置后还需要做什么调整？

回答：安装实验装置后首先要平衡摩擦力．把小车上装好纸带，把木板后垫高一些，在木板上轻轻向下推一下小车，小车应该做匀速运动．

提问：如何进行实验操作？

回答：保持小车的质量不变，改变所挂砝码的质量，打出5条纸带，记下每条纸带对应的砝码质量值；保持所挂砝码的质量不变，在小车上加砝码，改变小车的质量，打出5条纸带，记下每条纸带对应的小车的质量值．

提问：怎样处理数据？

分别计算出每条纸带的加速度值．做出在质量不变的条件下，加速度与小车所受外力的关系图线；做出在小车受力不变的条件下，加速度与小车质量倒数的关系图线．从图线上可以看出小车的加速度跟所受外力与自身质量的关系．

例：在验证牛顿第二定律的实验中，一个同学打出了5条纸带后，测出了纸带中相邻的每五段间的距离和每条纸带对应的小车的受力情况（见表），处理数据后在图1-8-5所示的坐标中画出a-F图线．

解：先根据所给的数据利用公式△s-at2算出小车在不同受力情况下的加速度值，分别为0.25m/s2、0.50m/s2、0.75m/s2、1.00m/s2、1.25m/ s2．如图1-8-6所示，在坐标系中标点后，画出图线为一条直线．

说明：在实验中要平衡摩擦力，要知道摩擦力平衡不好对实验结果的影响，会对a-F图线中不过原点问题的解释．在实验中要求所挂砝码的质量要远小于车的质量，如果这一条件不满足将会出现的图线的变化．本实验中数据的处理量较大，要能够正确合理地处理数据．

[实验五]

验证碰撞中的动量守恒

提问：两个物体在所受合外力为零的条件下，相互作用前后的动量满足什么关系？

回答：当两个物体组成的系统在所受合外力为零的条件下发生碰撞，系统在碰撞前的总动量等于碰撞后的总动量．

提问：怎样通过实验验证动量守恒定律？

回答：实验装置如图1-8-7所示，实验中小球的质量可以用天平称出，小球在碰前和碰后的速度利用从同一高度做平抢运动的小球的飞行时间相等，平抛运动的小球在水平方向做匀速运动的特点，用小球在碰前和碰后的水平飞行距离表示它的速度，这样就可以利用小球的质量和飞行的水平距离来表示出碰撞中的动量守恒关系．

入射球的质量要大于被碰球的质量，两球的半径相等．实验时先不放被碰球B，入射球A从一个确定的高度释放落在地面上的P点，小球飞行的水平距离为OP．再把被碰球B放在支架上，A球从同一高度释放，两球相碰后分别落在地面上的M点和N点．两球飞行的水平距离分别为OM和O′N，如果在碰撞中满足动量守恒定律，那么应该有关系m1OP=m1OM+m2O′N．

提问：实验时还应注意哪些问题？

在实验中要注意仪器的正确安装与调整，斜槽的末端一定要水平，小球的出射点应是O点的正上方，两小球相碰时应在同一个高度上．实验时，每个点应让小球落10次，取落点的中心进行测量．

例：在研究碰撞中的动量守恒的实验中，下列操作正确的是

A．改变入射小球的释放高度，多次释放，测出每次的水平位移，求出平均值，代入公式计算

B．入射小球应始终保持在同一高度上释放

C．两球相碰时，两球的球心必须在同一水平高度上

D．重复从同一高度释放入射小球，用一个尽量小的圆将其各次落点圈在其中，取其圆心作为小球落点的平均值

分析：入射小球每一次释放都应保持在同一高度上，这样在多次实验中才能使小球的初速度保持不变．两球相碰时应在同一高度上，保证两球的飞行时间相等．另外，利用画圆的方法取落点的平均值，可以减小实验误差．此题的正确答案为B、C、D．

实验操作：用所给器材完成实验．

[实验六]

研究平抛物体的运动

提问：说出画出平抛物体运动轨迹的方法．

回答：平抛物体的运动可以分解成水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动．将小球从斜槽的同一高度上释放，从槽末端的水平槽以一定的水平初速度平抛出去．在竖直面的纸上找出小球飞行轨迹中的几个点，用圆滑的曲线连接起各点，就得到了物体做平抛运动的轨迹，为一条抛物线．

提问：怎样求出平抛运动物体的初速度？

回答：如图1-8-8所示，以抛出点为坐标原点，水平向右为x轴的正方向，竖直向下为y轴的正方向．在曲线上读取数个点的坐标值，利

例：在研究平抛物体的运动实验中，应选用下列各组器材中的哪一组

A．铁架台、方木板、斜槽和小球、秒表、米尺和三角板、重锤和细线、白纸和图钉

B．铁架台、方木板、斜槽和小球、天平和秒表、米尺和三角板、重锤和细线、白纸和图钉

C．铁架台、方木板、斜槽和小球、千分尺和秒表、米尺和三角板、重锤和细线、白纸和图钉

D．铁架台、方木板、斜槽和小球、米尺和三角板、重锤和细线、白纸和图钉

分析：在此实验中小球的直径较小，不需要用千分尺测量．实验中也不用测量时间，所以正确的答案应为D．

[实验七]

验证机械能守恒定律

提问：怎样验证机械能守恒定律？

回答：在不计空气阻力的情况下，重物下落时的机械能守恒．如图1-8-9所示，把重锤与纸带相连，利用打点计时器记录下重锤下落过程中的运动情况．通过纸带测出重锤的下落高度从而算出重锤重力势能的变化，再算出重锤相应的动能，比较重力势能的减小量和动能的增加量，从而验证机械能守恒定律．

提问：利用此装置还能做什么实验？

回答：利用这个实验还可以计算重锤在下落时的加速度，即重力加速度．在已知重锤质量的条件下，通过计算重锤的下落高度和重锤的即时速度，算出重锤在下落过程中损失的机械能．

例：将下列验证机械能守恒定律的实验步骤按正确顺序排列起来

A．选取第1、2点的距离接近2mm的一条纸带，在这条纸带上选定计数点．

B．将铁架台放在实验桌上，用附夹把打点计时器固定在铁架台上．

C．换新纸带重复实验．

D．量出从首点到各计数点间的距离，并算出各计数点的即时速度．

E．比较△EK和△EP在误差允许范围内是否近似相等．

F．在重锤上夹持一纸带，并将它从打点计时器的复写纸下面穿过限位孔，手持纸带保持竖直方向，接通电源后，松手让重锤牵引纸带下落，得到打点的纸带．

G．计算各计数点的动能增加量△EK和势能减小量△EP．

答：此题正确的排序为B、F、C、A、D、G、E．

[实验八]

用单摆测定重力加速度

提问：怎样用单摆测当地的重力加速度？

之后，可以计算出当地的重力加速度．在实验中利用米尺测出单摆的摆长，它是从悬点到球心的距离．让单摆以较小的角度摆动，当摆球过平衡位置时开始计时，记录单摆振动30至50个周期所用的时间，可以算出单摆的振动周期．代入公式g=4π2ln2/t2，计算出重力加速度值．改变摆长测出3个g值，取平均值．

例：在做单摆测重力加速度的实验中，有以下器材可以选用，其中正确的一组为

[

] A．小木球、细棉线、米尺、卡尺、秒表、铁架台等

B．小木球、尼龙线、米尺、卡尺、秒表、铁架台等

C．小钢球、尼龙线、米尺、卡尺、秒表、铁架台等

D．小钢球、尼龙线、米尺、秒表、铁架台等

分析：做单摆的实验时，摆球应该用密度较大的球，线应该用不易伸长的线．摆长的测量可以采取两种方法：用卡尺测出小球的直径，用米尺测出线长，也可以直接用米尺测出摆长．所以此题的正确答案为C、D．