高考物理力學實驗之“板”“車”模型應用歸納

呂晴霞

摘 要：針對目前高考中力學實驗題型變化多端，考生往往難以下手的實際，總結了高中物理力學實驗的重點類型，從探究物理加速度與外力、質量的關系，功與物體速度變化的關系以及機械能守恒定律的驗證三個方面總結了“板”“車”模型的簡單應用，分析了相關注意事項。為力學實驗的復習提供思路和參考。

關鍵詞：“板”“車”模型；力學實驗；探究

歷年高考中全國卷和新課標卷涉及的一些實驗題目，所包含的類型大致可以概括成“一力和一電”的題型。試卷中不僅考察教材中原有的學生實驗，還考察一些演示實驗。更為重要的是有時會將不同的實驗器材和各類實驗方法進行重新組合形成新的實驗內容，題目之新穎，種類之繁多讓人目不暇接。也使得很多考生總感覺對實驗題無從下手。筆者就個人多年來在力學實驗復習中所獲心得體會總結出來以資討論借鑒。

高中物理課本中力學實驗主要有以下七個實驗：①探究彈力和彈簧伸長量的關系；②驗證力的平行四邊形定則；③研究勻變速直線運動的規(guī)律；④驗證牛頓第二定律；⑤分析和考察對某一物體做功與其所對應的速度改變之間的作用關系；⑥探究平拋物體的運動規(guī)律（在某些地方不作為考試的范圍）；⑦驗證機械能守恒定律。這些實驗不外乎考察以下幾點：1.重點關注于一些物理技能以及技巧，熟練掌握不同設備以及裝置所具有的自身特性。如直尺、游標卡尺以及螺旋測微器的讀數(shù)、打點計時器、秒表、光電門、頻閃照相機等的應用。2.將實驗中所涉及的相應的原理作為重點，同時，依據(jù)本來的原理采取一定的方法而科學的轉換與拓展。比方研究物體的勻變速直線運動和求動摩擦因數(shù)等。高考命題理念一直倡導源于課本而又不拘泥于課本，因此抓住實驗的靈魂——實驗原理，正是我們突破實驗的重要切入點。3.倡導分析討論的能力，講究實驗品質的培養(yǎng)。比方對于數(shù)據(jù)進行相應的分析與處理，實驗中所產(chǎn)生的誤差探究和過程改進，也可能涉及一些相對開放的實驗內容等和新課標中所包含的一標多本理念的交匯。4.利用已有知識進行創(chuàng)新性實驗的設計。比如設計多個測量重力加速度或動摩擦因數(shù)又或彈簧的勁度系數(shù)的計劃。尤其是關于力學知識的一些設計類型實驗內容在最近幾次高考中有逐漸加強的趨勢，而以長木板和小車（以下簡稱為“板”“車”模型）組合裝置為背景的實驗尤為多見。

一、探究物體加速度與外力、質量的關系

例一、圖1-1所示，是采取拉力傳感裝置以及速度傳感裝置來分析與研究“物體所具有的加速度和其所受到外力之間的作用情況”，使用相應的拉力傳感裝置，來讀出該實驗中小車所受到的拉力值。同時，將相應的速度傳感裝置放置于A、B處，且A與B之間的距離為L=48.0cm。同時，記錄并讀出小車經(jīng)過A點、B點處的速率值大小。

1.本實驗所進行的相應步驟為：①把相應的拉力傳感裝置安放于小車之上。②使小車所受到的摩擦力處于平衡狀態(tài)，使小車做__運動。③將一根較細的繩任一端系于相應的拉力傳感裝置，在其另外的一端經(jīng)由一個定滑輪，而和鉤碼連接。④將電源開關合并之后小車在C點被釋放出去，使其受到繩的拉力而向前運動，此時讀出繩所給予小車的拉力值F，并且讀取小車經(jīng)過A點與B點處的相應速度大小VA和VB。⑤將鉤碼的數(shù)目做出一定的增減，并進行第④步驟的操作。

2.再圖1-2里展示了本次實驗過程中所讀取的相關數(shù)據(jù)信息，VB2-VA2代表了在A處與B處的速度傳感裝置讀取的數(shù)值的平方差。那么，我們可以得出小車相應加速度的表達公式為a=。并把圖1-2里第3次進行的實驗數(shù)據(jù)補充至表中（結果要求保留三位有效數(shù)字）。

3.通過圖1-2里的相關數(shù)據(jù)信息，用坐標紙描繪出a-F之間的關系曲線。

二、分析與研究做功和物體速度改變之間的作用關系

例二、在某次實驗中我們進行了對“做功和物體速度改變之間的作用關系”分析與研究。學生利用實驗室的器材設計并安裝出如圖2-1中的實驗裝置，并且學生還在實驗室中獲得了打點計時裝置配套的電源、天平、刻度尺、導線若干、復寫紙若干、紙帶若干、砝碼若干等物品。

同學們進行了如下的實驗：把長木板的左端采用墊塊墊高一點，使小車所受到的摩擦力處于平衡狀態(tài)；對所使用的托盤和砝碼進行稱量，得到其中質量為M；將電源的開關關閉，并使小車由速度為零的狀態(tài)開始運動，并使小車帶著與之相聯(lián)的紙帶共同前進。圖2-2所示為同學們在實驗過程里所獲取的帶打印點的紙帶。①通過對紙帶分析得出其（左端或者右端）和小車連接在一起。②若所采用的電源頻率是50Hz，而相應的紙帶中我們將五個點看成是一個計數(shù)點，同時采用相應的刻度尺得到相鄰兩個計數(shù)點距離值大小。再打點1時，小車所擁有的速率為V1=__m/s，打點3時小車所擁有的速率為V3=m/s（數(shù)值都保留兩位有效數(shù)字）。③稱量出的M值為0.10Kg，如果把托盤與砝碼所受到的重力當成是小車所受的外力值，那么，小車在1點至3點的階段，外力對其做功值W合=J（g取9.8m/s2結果保留兩位有效數(shù)字）

三、驗證機械能守恒定律

例三、利用氣墊導軌來檢驗并證明機械能的守恒，所采用的相對應裝置見圖3-1。在處于水平位置的桌面上，安放上具有一定斜度的氣墊導軌，在其上方的A位置有一個滑塊，其上方帶有一個長方形狀的遮光片，滑塊和遮光片的質量總和是M，滑塊的左側和細線及小球連接，細線經(jīng)由光滑的定滑輪而系有小球，且小球的質量是m?；戏降恼诠馄溟L邊和導軌互相垂直。在B位置安放了相應的光電門，能夠測出遮光片在經(jīng)由此處時所擋住光線的總時長t，并且用d代表A位置至光電門B處所具有的距離值大小，用b代表遮光片所擁有的寬度值大小，把遮光片經(jīng)由電門時的平均速度值當成是滑塊經(jīng)由B位置處的瞬時速度值。實驗時滑塊在A處由靜止開始運動。

滑塊通過B點的瞬時速度可表示為；某次實驗測得傾角，重力加速度用g表示，滑塊從A到達B時m和M組成的系統(tǒng)動能增加量可表示為ΔEk=，系統(tǒng)的重力勢能減少量可表示為ΔEp= ，在誤差允許的范圍內，若ΔEk=ΔEp則可認為系統(tǒng)的機械能守恒；在上次實驗中，某同學改變A、B間的距離，作出的圖像如圖3-2所示，并測得M=m，則重力加速度g= m/s2。

由以上各例可見，無論是實驗中考查加速度，力還是功和速度或是能量問題都可在“板車”模型的背景下靈活出題。且問題挖掘的地方不外乎三處：1.在小車的牽引力上做文章，若由沙桶或勾碼的重力提供則往往為了減小誤差需滿足m﹤﹤M的條件，但若是由拉力傳感器或彈簧測力計則無需考慮上述條件。2.在獲得速度和加速度的方式上變換器材，供選擇的儀器有打點計時器、光電門和頻閃照相機等。要掌握好各自的數(shù)據(jù)處理方法。3.利用圖像法處理數(shù)據(jù)仍然還是熱點和難點。但只要抓住基本原理，由實驗原理的原始方程出發(fā)，通過改寫變形以線性圖像為目標即可得到合適的函數(shù)方程。明確了圖像的斜率和截距的意義問題也就迎刃而解了。

（作者單位：甘肅省民樂縣第一中學）