力學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新角度

李向陽(yáng)

(安徽省蒙城第一中學(xué))

力學(xué)實(shí)驗(yàn)相比電學(xué)實(shí)驗(yàn)更加靈活多變,命題更加注重創(chuàng)新,本文從利用手機(jī)等科技產(chǎn)品、改變實(shí)驗(yàn)器材、多個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹亟M等角度談力學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新.

1 利用手機(jī)等科技產(chǎn)品

利用手機(jī)中的各種傳感器,可以直接測(cè)量速度、加速度、磁感應(yīng)強(qiáng)度等物理量,也可以通過手機(jī)的拍照功能得到物體的運(yùn)動(dòng)軌跡,從而研究物體運(yùn)動(dòng)的速度、加速度等物理量.

例1如圖1所示,輕繩跨過光滑定滑輪,一端與小車相連,另一端與手機(jī)相連,刻度尺豎直固定在手機(jī)一側(cè).打開手機(jī)的頻閃拍照功能并由靜止釋放手機(jī),手機(jī)下落過程中拍攝到一組照片,其中三幅相鄰的照片中心分別對(duì)應(yīng)在刻度尺上的a、b、c位置,如圖2所示.已知小車質(zhì)量為M,手機(jī)頻閃拍照周期為T,則( ).

圖1

圖2

B.手機(jī)拍b位置時(shí)的速度為

D.因沒有考慮小車受到的摩擦力,測(cè)量的手機(jī)質(zhì)量會(huì)偏小

點(diǎn)評(píng)本題利用手機(jī)拍照的功能得到手機(jī)在不同時(shí)刻的速度,進(jìn)而得到手機(jī)下落的加速度.我們的生活已經(jīng)離不開手機(jī),手機(jī)的許多功能不僅能方便我們的學(xué)習(xí)和生活,而且有些功能具有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的可操作性.利用手機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)已經(jīng)全面進(jìn)入考題,是物理實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新點(diǎn).

2 改變實(shí)驗(yàn)器材探究物理實(shí)驗(yàn)

通過科技手段使用更精準(zhǔn)的儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器進(jìn)行測(cè)量,既提高了實(shí)驗(yàn)效率,減小了實(shí)驗(yàn)誤差,又能從更多角度對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新.

例2某同學(xué)設(shè)計(jì)了如圖3所示的裝置來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,豎直桿豎直固定在M、N兩點(diǎn),在桿上固定一個(gè)量角器,并在量角器的圓心處固定一個(gè)力傳感器,一根細(xì)線上端連接在力傳感器上,下端系在小球上.

圖3

實(shí)驗(yàn)步驟如下:

①拉起小球,使細(xì)線與豎直方向成一個(gè)角度,由靜止釋放小球,使小球在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng);

②記錄小球運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)力傳感器的最大示數(shù)F;

③重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)步驟.

(1)該同學(xué)練習(xí)使用游標(biāo)卡尺測(cè)量小球直徑d時(shí),游標(biāo)卡尺的示數(shù)如圖4 所示,則d＝_________mm.

圖4

(2)關(guān)于該實(shí)驗(yàn),下列說法正確的有________.

A.可以直接用彈簧測(cè)力計(jì)代替力傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

B.細(xì)線要選擇非彈性的

C.小球盡量選擇密度大的

(3)實(shí)驗(yàn)中沒有提供天平等可以測(cè)量質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)器材,為完成實(shí)驗(yàn),需要記錄小球在豎直方向上靜止時(shí)_________.

(4)為完成實(shí)驗(yàn),還需要測(cè)量的物理量有_________.

A.釋放小球時(shí)細(xì)線偏離豎直方向的角度θ

B.小球從釋放到運(yùn)動(dòng)至最低點(diǎn)的時(shí)間t

C.細(xì)線長(zhǎng)L

(5)需要驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的表達(dá)式為_________(用已知量和測(cè)量量的符號(hào)表示).

(6)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),小球擺到另一側(cè)偏離豎直方向的角度略小于初始釋放位置偏離豎直方向的角度,其原因可能是________.

解析(1)游標(biāo)卡尺的讀數(shù)為d＝10mm＋4×0.1 mm＝10.4mm.

(2)彈簧測(cè)力計(jì)代替力傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),由于細(xì)線不斷擺動(dòng),不方便進(jìn)行讀數(shù)與記錄,故選項(xiàng)A 錯(cuò)誤;細(xì)線要選擇非彈性細(xì)線,避免擺長(zhǎng)發(fā)生變化,故選項(xiàng)B正確;小球盡量選擇密度大的,以減小空氣阻力的影響,故選項(xiàng)C正確.

(4)由(3)分析知,為完成實(shí)驗(yàn),還需要測(cè)量的物理量有釋放小球時(shí)細(xì)線偏離豎直方向的角度θ.

(5)由(3)分析知,需要驗(yàn)證機(jī)械能守恒的表達(dá)式為F＝3F0-2F0cosθ.

(6)小球擺到另一側(cè)偏離豎直方向的角度略小于初始釋放位置偏離豎直方向的角度,其原因可能是小球運(yùn)動(dòng)過程中存在空氣阻力.

點(diǎn)評(píng)做圓周運(yùn)動(dòng)的物體在最低點(diǎn)利用拉力傳感器測(cè)速度是本題的創(chuàng)新點(diǎn).本題給出了一般角度下,驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律需要滿足的規(guī)律,也可設(shè)置特殊角度下,如θ＝90°時(shí),驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律需要滿足的規(guī)律.

3 多個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡慕M合

一個(gè)力學(xué)裝置可以達(dá)成多個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?物理命題常常圍繞一個(gè)裝置,實(shí)現(xiàn)多個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?即最大限度地挖掘裝置的功能,在實(shí)現(xiàn)裝置不變的情況下,達(dá)成多個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?也稱組合型的創(chuàng)新.

例3某同學(xué)利用圖5所示裝置,驗(yàn)證以下兩個(gè)規(guī)律:

圖5

①兩物塊通過不可伸長(zhǎng)的細(xì)繩相連接,沿繩分速度相等;

②系統(tǒng)機(jī)械能守恒.

P、Q、R是三個(gè)完全相同的物塊,P、Q用細(xì)繩連接,放在水平氣墊桌上,物塊R與輕質(zhì)滑輪連接,放在正中間,a、b、c代表三個(gè)光電門,調(diào)整三個(gè)光電門的位置,能實(shí)現(xiàn)同時(shí)遮光,整個(gè)裝置無初速度釋放.

(1)為了能完成實(shí)驗(yàn)?zāi)康?除了記錄P、Q、R三個(gè)遮光片的遮光時(shí)間t1、t2、t3外,還必須測(cè)量的物理量有_________.

A.P、Q、R的質(zhì)量M

B.兩個(gè)定滑輪的距離d

C.R的遮光片到c的距離H

D.遮光片的寬度x

(2)根據(jù)裝置可以分析出P、Q的速度大小相等,需要驗(yàn)證的表達(dá)式為_________.

(3)若要驗(yàn)證物塊R與物塊P沿繩分速度相等,則驗(yàn)證表達(dá)式為_________.

(4)若已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭,則驗(yàn)證系統(tǒng)機(jī)械能守恒的表達(dá)式為_________.

解析(1)驗(yàn)證系統(tǒng)機(jī)械能守恒,需驗(yàn)證的表達(dá)式為,物塊質(zhì)量可約去,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有影響,不需要測(cè)量,選項(xiàng)A 錯(cuò)誤;設(shè)兩滑輪間距為d,物塊R與輕質(zhì)滑輪連接,放在正中間,物塊R沿兩繩的分速度均為v＝,此即P、Q的速度,兩滑輪間距d需要測(cè)量,選項(xiàng)B 正確;根據(jù)選項(xiàng)A 可知,需要測(cè)量R的遮光片到c的距離H,選項(xiàng)C 正確;根據(jù)選項(xiàng)A 可知,需要測(cè)量三個(gè)物塊的速度,由可知,需要測(cè)量遮光片的寬度x,選項(xiàng)D 正確.

(2)若P、Q的速度大小相等,由(1)可知,需要驗(yàn)證t1＝t2.

點(diǎn)評(píng)本裝置達(dá)成了三個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?驗(yàn)證了P、Q的速度大小相等、驗(yàn)證了物塊R與物塊P的沿繩分速度相等、驗(yàn)證系統(tǒng)機(jī)械能守恒.實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟煌瑫r(shí),需要測(cè)量的物理量是不同的,同一裝置,達(dá)到不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菍?shí)驗(yàn)創(chuàng)新的命題點(diǎn).

通過上述分析可以看出,突破力學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),我們要在平時(shí)多觀察,多思考,多挖掘裝置的各種功能,并注意實(shí)驗(yàn)原理的學(xué)習(xí).掌握基本實(shí)驗(yàn)是前提,靈活運(yùn)用物理規(guī)律是關(guān)鍵,融會(huì)貫通物理實(shí)驗(yàn)原理是核心.

(完)