学生实验教学实录

动力学实验装置的演化—以探究动能定理为例

建水一中

耿绍凯

一、知识回顾

探究加速度与力、质量的关系实验

实验核心考点

1.平衡摩擦力：

①必要性:凡是会因为摩擦力存在影响实验结果的实验均需要平衡摩擦力。

例如：以教材实验为例，

研究匀变速直线运动实验，不需要；

探究加速度与力、质量关系实验，需要；

探究动能定理，需要。

②方法：把装有打点计时器的一端垫起适当高度，轻推小车，使小车刚好做匀速直线运动。

2.小车质量M与砝码的质量m需要满足的关系m<

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探究a与F的关系时：

用砝码的重力mg替代小车的拉力F。

实际上重力mg不等于拉力F，

而是：拉力F小于钩码重力mg，具体说来，FmMMmg

如果拉力已知，还需要满足该条件吗？不需要。

例1.如图所示，为某同学安装的“验证牛顿第二定律”的实验装置，在小车的前端固定一个传感器，和砂桶连接的细线接在传感器上，通过传感器可显示出细线的拉力.在图示状态下开始做实验. （1）图示装置存在哪些问题

(2)若砂和砂桶的质量为m，小车和传感器的总重量为M，做好此实验________(填“需要”或“不需要”)

M>>m的条件. 解析：（1）本实验没有平衡摩擦力，则砂桶的重力不等于小车受到的拉力；

牵引小力的绳子没有和桌面平行，会产生斜向上的拉力；

因纸带的长度有限，故开始时应让小车靠近打点计时器；

（2）该实验中由于已经用传感器测出绳子拉力大小，不是将砂和砂桶的重力作为小车的拉力，故不需要M≫m的条件

练习. 1.在“探究加速度与力、质量的关系”时采用如图所示的实验装置，小车及车中砝码质量为M，砂桶及砂的质量为m。

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若已平衡摩擦力，在小车做匀加速直线运动过程中，绳的张力大小F＝________，当M与m的大小满足________时，才可认为绳子对小车的拉力大小等于砂和砂桶的重力。

答案：FmMMmg，m << M 二、探究动能定理实验

来看教材“探究动能定理实验”的装置

描绘Wv2图像来分析橡皮筋做功与物体速度变化的关系。

三、实验装置演化

→

→

→

常见的几种演化装置中，重点来关注3个问题：

1.实验如何进行？

2.需要平衡摩擦力吗？如何平衡摩擦力？

3.需要满足m<

三、实验装置演化1

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OmgxOB12mvB

2BA

B

mgxAB1212mvBmvA22

三、实验装置演化2 如图为探究拉力对小车做功与小车动能的关系实验

需要平衡摩擦力吗？需要

如何平衡摩擦力？

平衡摩擦力方法：

不挂钩码，把装有打点计时器的一端垫起适当高度，轻推小车，使小车刚好做匀速直线运动。

思考：拉力对小车做的功W如何表示？

W=Fx F用钩码的重力mg替代

能替代得满足的条件：m<

2

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三、实验装置演化3 在探究拉力对小车做功与小车动能的关系实验时，如果该装置更现代化一些，有拉力传感器，如图所示：

拉力传感器

那么，只需探究Fx1Mv2

2还需要满足m<

答案显然是不需要的，因为力的传感器已经直接读出力的大小。

如果如图所示的装置既不能满足m<

答案是肯定的，因为可以对小车和钩码这一系统作为研究对象，

则mgx1(Mm)v2

2三、实验装置演化4 巧求滑块所受合外力。探究滑块所受合外力做功与滑块动能关系。

如装置所示,挂上钩码,用垫块将长木板装有定滑轮的一端垫起适当高度。轻推滑块后,滑块沿长木板向下做匀速直线运动。

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平衡摩擦力后，取下钩码，滑块将做：匀加速直线运动

滑块所受合力如何求解？

取下钩码后，滑块合力为mg 12因此，就是需要探究mgxMv

2不需满足m<

B.保持长木板的倾角不变,取下细绳和钩码,让滑块沿长木板向下做匀加速直线运动。

请回答下列问题: (1)

滑块做匀速直线运动时,打点计时器在纸带上所打出点的分布应该是_______。

(2)滑块在匀加速下滑过程中所受的合外力大小____

(选填“大于”“等于”或“小于”)钩码的重力大小。 (3)若滑块质量为M、钩码质量为m,当打点计时器打下1、3点时滑块的速度分别

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为v1和v3,1、3两点之间距离为s,重力加速度为g,探究结果的表达式是

___________________(用相应的符号表示)。

答案：（1）等间距

（2）等于

1122mgsMvMv31

（3）22三、实验装置演化5 探究拉力对滑块做功与滑块动能的关系

如图：滑块（包括遮光条）质量为M，砝码（包括托盘）质量为m

如果该实验能满足m<

那么研究对象应为滑块（包括遮光条）和砝码（包括托盘）这一系统，那么就探究mgx1Mv2

21(Mm)v2

2三、实验装置演化6 探究拉力对小车做功与小车动能的关系

该装置需要平衡摩擦力吗？需要。

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该装置需要满足m<

探究什么呢？对小车，Fx1122MvAMvB

22例3.某同学在实验室用如图甲所示的装置来研究牛顿第二定律和有关做功的问题。

(1)需要将长木板的右端垫高,直到在没有沙桶拖动下,小车拖动纸带穿过打点计时器时能做_________运动。 (2)要把绳对小车的拉力认为是等于沙和沙桶的总重力,小车质量M与沙和沙桶的质量m需要满足_________。在控制_________不变的情况下,可以探究加速度与合力的关系。 答案：

（3）若该同学用该装置来探究细绳的拉力做功与小车动能的关系。

按如图安装好装置后必须首先进行的操作是：_________________________________________________________________。 (4)在此实验中,此同学先接通打点计时器的电源,再放开纸带，得到一条如图所示的纸带，O为起点,A、B、C为过程中的三个相邻的计数点,相邻的计数点之间有四个点没有标出,交流电源频率为f。

则打B点时小车的速度为vB=____________。

（5）在满足m<

（6）若不能满足m<

答案：（1）匀速

（2）m<

小车的质量

（3）不挂钩码，把装有打点计时器的一端垫起适当高度，轻推小车，使小车刚好做匀速直线运动

（4）f(x3x1)

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f2(x3x1)21M（5）mgx

22100f2(x3x1)21(mM)（6）mgx

22100例4.（2013年福建卷）.在“探究恒力做功与动能改变的关系”的实验中(装置如图甲):

甲

下列说法哪一项是正确的_______(填选项前的字母) A.平衡摩擦力时必须将钩码通过细线挂在小车上

B.为减小系统误差,应使钩码质量远大于小车质量

C.实验时,应使小车靠近打点计时器由静止释放

答案：C

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