淺析一套實(shí)驗(yàn)裝置的多種用途

于秀安

在高中物理實(shí)驗(yàn)中，對于圖1的裝置大家都不陌生，那么這樣的裝置到底可以做多少種實(shí)驗(yàn)?zāi)?？每個(gè)實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵笥钟惺裁床煌?？筆者結(jié)合教材和考題對設(shè)計(jì)此類裝置的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)如下：根據(jù)教材順序此類裝置可涉及以下實(shí)驗(yàn)《探究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律》 《探究加速度、合外力、質(zhì)量之間的關(guān)系》 《探究合外力做的功與動(dòng)能之間的關(guān)系》 《驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律》.根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟煌?，對?shí)驗(yàn)裝置的要求又略有不同，這也經(jīng)常是實(shí)驗(yàn)題中的考點(diǎn).

實(shí)驗(yàn)1：對于《探究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律》實(shí)驗(yàn)中，我們需要記錄一種勻加速直線運(yùn)動(dòng).只需讓小車在砝碼盤和砝碼的帶動(dòng)下做勻加速直線運(yùn)動(dòng)即可，就可以在小車所帶動(dòng)的紙帶上記錄下勻變速直線運(yùn)動(dòng).對于后面經(jīng)常提到的平衡摩擦力及讓砝碼盤和砝碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車和車中砝碼的質(zhì)量在本實(shí)驗(yàn)中是不需要的.

實(shí)驗(yàn)2：《探究加速度、合外力、質(zhì)量之間的關(guān)系》的實(shí)驗(yàn)是對本裝置的認(rèn)識要求比較高的實(shí)驗(yàn).本實(shí)驗(yàn)的研究對象是小車及車中的砝碼，需要探究的公式是F=Ma.質(zhì)量用天平可以測量，加速度用紙帶可以計(jì)算，測量小車所受的合外力是本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn).首先、我們要用細(xì)線的拉力充當(dāng)小車所受的合外力，以此，要保證運(yùn)動(dòng)的小車在去掉繩的拉力時(shí)合外力為零，必須要平衡摩擦力，讓重力的分力與摩擦力抵消.裝置需改為圖2，抬高右端以平衡摩擦力.其次，繩上的拉力在實(shí)驗(yàn)時(shí)中不宜測量，我們要用砝碼盤及盤中砝碼的重力來充當(dāng)，但是，由于整個(gè)系統(tǒng)在做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，砝碼盤和盤中砝碼的重力并不等于繩的拉力.設(shè)小車及車中質(zhì)量為M，砝碼盤及盤中砝碼質(zhì)量為m，根據(jù)牛頓第二定律：

T=Ma （1）

mg-T=ma（2）

聯(lián)立（1）、（2）式即可得到

T=Mmg（M+m）

要想T近似等于mg，只要滿足mM即可.因此本實(shí)驗(yàn)為保證mg充當(dāng)小車所受的合外力，需要①平衡摩擦力②滿足mM.并要理解這兩個(gè)要求的目的分別是什么.

實(shí)驗(yàn)3：《探究合外力做功和動(dòng)能之間的關(guān)系》實(shí)驗(yàn)中除了可以用課本上的實(shí)驗(yàn)裝置外也可以用上述裝置，研究對象同樣是小車及車中砝碼.由于要去求合外力做的功，只需在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置測出合外力的基礎(chǔ)上，再測量出小車的位移x即可求出合外力做的功.因此實(shí)驗(yàn)室中同樣需要①平衡摩擦力②滿足mM.

需要探究的關(guān)系是mgx=12mv22-12mv2.

需要注意的是，在實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)3某些題目中，在小車上加了力傳感器或在繩上連入了彈簧秤來直接測量繩上的拉力，如圖3.根據(jù)上面的解釋，這種情況下，只需要平衡摩擦力即可而不再需要滿足mM.

實(shí)驗(yàn)4：《驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律》實(shí)驗(yàn)除了可以用自由落體運(yùn)動(dòng)來驗(yàn)證外，也可以用本裝置來實(shí)現(xiàn).因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)研究對象為整個(gè)系統(tǒng)，繩上的拉力為內(nèi)力，不用再考慮是否等于砝碼及砝碼盤中的重力，也就不需要滿足mM.整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過程中減少的重力勢能為mgx，需要注意的是系統(tǒng)動(dòng)能的增加量為

12（M+m）v22-12（M+m）v21.

需要驗(yàn)證的關(guān)系是

mgx=12（M+m）v22-12（M+m）v21.

綜上所述，此裝置可以做很多個(gè)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，但是不同的實(shí)驗(yàn)，對裝置有不同的要求和不同的數(shù)據(jù)處理.要分清這些實(shí)驗(yàn)必須要做到，（1）看實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）針對實(shí)驗(yàn)?zāi)康男枰獪y量哪些物理量（3）為了保證測量值的準(zhǔn)確性對裝置有那些要求（4）再根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡贸鲂枰?yàn)證的關(guān)系式.除此之外，上述實(shí)驗(yàn)的木板還可以用帶有光電門的氣墊導(dǎo)軌來代替，規(guī)律同樣適用.平時(shí)我們要善于觀察和總結(jié)，就可以在很多看似容易混淆的題目中找到相關(guān)規(guī)律和聯(lián)系.