高中力学实验教学案.docx

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高中力学实验教学案

实验一探究匀变速直线运动速度随时间的变化规律

一．实验目的

（1）学会判断物体是否做匀变速直线运动的方法．

（2）利用打上点的纸带测定匀变速直线运动的加速度．

二．实验原理

（1）匀变速直线运动的特点：

①物体做匀变速直线运动时，若加速度为a，在各个连续相等的时间T内发生的位移依次为s1，s2，s3，s4，…，sn，则有：

s2－s1＝s3－s2＝…＝sn－sn－1＝aT2，即________________________________________________．可以依据这个特点，判断一个物体是否做匀变速直线运动．

②匀变速直线运动的物体在某段时间内的平均速度等于________________________________．

（2）由纸带求物体________的方法：

逐差法

s2－s1＝s3－s2＝…＝sn－sn－1＝aT2

s4－s1＝3a1T2

s5－s2＝3a2T2

三．实验器材

打点计时器、纸带、复写纸片、______________、小车、______________、细绳、刻度尺、钩码、两根导线．

四．实验步骤

（1）把附有滑轮的长木板放在实验桌上，并使滑轮伸出桌面，把打点计时器固定在长木板上没有滑轮的一端，连接好电路，再把一条细绳拴在小车上，细绳跨过滑轮，下边挂上合适的砝码，将纸带穿过打点计时器，并把它的一端固定在小车的后面．实验装置如图所示；

（2）把小车停在靠近打点计时器处，接通电源后，放开小车，让小车拖着纸带运动，打点计时器就在纸带上打下一系列的点，换上新纸带，重复三次；

（3）从三条纸带中选择一条比较理想的纸带，舍掉开头比较密集的点，在后边便于测量的地方找一个开始点，在选好的开始点下面记作0,0后面第5个点记作1,1后面第5个点记作2，…，依此标出计数点3,4,5,6，两相邻计数点间的距离用刻度尺测出，分别记作s1，s2，s3，s4，s5，s6；

（4）根据测量结果和前面计算公式，计算出a1，a2，a3的值，求出a的平均值．它就是小车做匀变速直线运动的加速度．

五．实验结论

由实验得出的v－t图象进一步得出小车运动的速度随时间变化的规律．

有两条途径进行分析：

（1）直接分析图象的特点得出，小车运动的v－t图象是一条倾斜的直线，如图所示，当时间增加相同的值Δt，速度也会增加相同的值Δv，由此得出结论：

小车的速度随时间均匀变化．

（2）通过函数关系进一步得到，既然小车的v－t图象是一条倾斜的直线，那么v随t变化的函数关系式为v＝kt＋b，显然v与t成“线性关系”，小车的速度随时间均匀变化．

六．注意事项

（1）电磁式打点计时器使用的电源必须是交变电流（不能接入直流电，否则无法工作），工作电压为4～6V．电火花式打点计时器直接用220V交流电．

（2）开始释放小车时，应使小车靠近打点计时器．

（3）应该先接通电源，待打点计时器打点稳定后，再释放小车．

（4）小车另一端所挂的钩码个数要适当，避免加速度过大而使纸带上打的点太少，或者加速度太小，使各段位移无法区别．

（5）要防止钩码落地后小车跟定滑轮相撞；纸带打完后及时断开电源．

（6）选择一条理想的纸带，是指纸带上的点迹清晰．适当舍弃点迹密集部分，适当选取计数点（计数点与计时点有区别），弄清楚所选的时间间隔T等于多少秒．

（7）不要分段测量各段位移，应尽可能地一次测量完毕（可先统一量出各计数点到记数起点O之间的距离）．读数时读到毫米的下一位．

七．数据处理

由实验数据得出v－t图象

（1）根据表格中的v、t数据，在直角坐标系中仔细描点，如图，可以看到，对于每次实验，描出的几个点都大致落在一条直线上．

（2）作一条直线，使同一次实验得到的各点尽量落到这条直线上，落不到直线上的各点，应均匀分布在直线的两侧，这条直线就是本次实验的v－t图象，它是一条倾斜的直线．

【典型例题1】如图甲所示，小车放在斜面上，车前端拴有不可伸长的细线，跨过固定在斜面边缘的小滑轮与重物相连，小车后面与打点计时器的纸带相连．起初小车停在靠近打点计时器的位置，重物到地面的距离小于小车到滑轮的距离．启动打点计时器，释放重物，小车在重物牵引下，由静止开始沿斜面向上运动，重物落地后，小车会继续向上运动一段距离．打点计时器使用的交流电频率为50Hz.图乙中a、b、c是小车运动纸带上的三段，纸带运动方向如箭头所示．

（1）根据所提供纸带上的数据，计算打c段纸带时小车的加速度大小为________m/s2.（结果保留两位有效数字）

（2）打a段纸带时，小车的加速度是2.5m/s2.请根据加速度的情况，判断小车运动的最大速度可能出现在b段纸带中的________．

温馨提示

关于纸带的考题，实验原理a＝

是灵魂，是考查的核心内容．实验方法、实验步骤、数据处理等一切与实验有关的问题都从实验原理中派生出来，只要紧紧抓住实验原理，许多问题都会迎刃而解．

【变式训练1】　（12年江苏模拟）

（1）如图所示，螺旋测微器的示数为__________mm；游标卡尺的示数为__________cm.

（2）在“探究速度随时间变化的规律”实验中，打点计时器使用的交流电的频率是50Hz，记录小车运动的纸带如图所示．在纸带上选择7个计数点A、B、C、D、E、F、G，相邻两个计数点之间还有四个点未画出，各点到A点的距离如图所示．

①A、B两个计数点之间的时间间隔T＝__________s；

②小车在B点的速度vB＝__________m/s，CE间的平均速度

CE＝__________m/s；

③小车运动的加速度a＝__________m/s2.

2．打点计时器结合力学的设计性实验．

（1）设计思路：

针对实验原理（详见基础自测），了解每一步的切实目的，例如关键步骤的平衡摩擦力、图象处理等．

（2）误差分析：

结合力学知识，分析误差产生的原因，以及减小误差的方法．

【典型例题2】（11年江苏调研）光电计时器是一种研究物体运动情况的常见仪器．当有物体从光电门通过时，光电计时器就可以显示物体的挡光时间．现利用如图甲所示装置探究物体的加速度与合外力、质量关系，其NQ是水平桌面，PQ是一端带有滑轮的长木板，1、2是固定在木板上的两个光电门（与之连接的两个光电计时器没有画出）．小车上固定着用于挡光的窄片K，测得其宽度为d，让小车从木板的顶端滑下，光电门各自连接的计时器显示窄片K的挡光时间分别为t1和t2.

（1）该实验中，在改变小车的质量M或沙桶的总质量m时，保持M≫m，这样做的目的是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

（2）为了计算出小车的加速度，除了测量d、t1和t2之外，还需要测量________，若上述测量的量用x表示，则用这些物理量计算加速度的表达式为a＝________；

甲

乙

（3）某位同学经过测量、计算得到如下表数据，请在图乙中作出小车加速度与所受合外力的关系图象.

组别

1

2

3

4

5

6

7

M/kg

0.58

0.58

0.58

0.58

0.58

0.58

0.58

F/N

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

a/m·s－2

0.13

0.17

0.26

0.34

0.43

0.51

0.59

（4）由图象可以看出，该实验存在着较大的误差，产生误差的主要原因是________________________________________________________________________．

【变式训练2】　某学校研究性学习小组想测量木块与木板之间的动摩擦因数．其中一位同学把木板固定在斜面上，他让木块从斜面上端由静止开始匀加速下滑，如图所示，他使用的实验器材仅限于

A．倾角固定的斜面（倾角θ已知）　　　B．木块

C．秒表　　　D．米尺

你认为他实验中应记录的数据是________，计算动摩擦因数的公式是μ＝________.

另一位同学采用的实验装置如图，木板固定在水平桌面上，一端装有定滑轮；木板上有一滑块，其一端与电磁打点计时器的纸带相连，另一端与跨过定滑轮并与托盘连接的细线相连．打点计时器使用的交流电源的频率为50Hz.开始实验时，在托盘中放入适量砝码，滑块开始做匀加速运动，在纸带上打出一系列小点．

（1）如图给出的是实验中获取的一条纸带的一部分，0、1、2、3、4、5、6、7是计数点，每相邻两计数点间还有4个打点（图中未标出），计数点间的距离如图所示．根据图中数据计算滑块的加速度a＝________m/s2（保留三位有效数字）．

（2）为测量动摩擦因数，下列物理量中还应测量的有________（填所选物理量前的字母）．

A．木板的长度lB．木板的质量m1

C．滑块的质量m2D．托盘和砝码的总质量m3

E．滑块运动的时间t

（3）滑块与木板间的动摩擦因数μ＝________（用被测物理量的字母表示，重力加速度为g）．

【随堂练习】

1．电磁打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器，当电源的频率为50Hz时，振针每隔__________s打一个点．现在用打点计时器测定物体的速度，当电源频率低于50Hz时，如果仍按50Hz的时间间隔打一个点计算，则测出的速度数值比物体的真实数值__________．

2．用如图所示的实验装置测量小车沿斜面匀加速下滑的加速度．打点计时器打出的纸带如图所示，已知纸带上各相邻点的时间间隔为T，则可以得出打点计时器在打出C点时小车

的速度大小的表达式为________，小车运动的加速度大小的表达式为________．若测出斜面的长度l和斜面右端距桌面的高度h，已知重力加速度为g，小车的质量为m.则可以得出斜面对小车的阻力的表达式为________．

第2题图

3．在研究匀变速直线运动的实验中，某同学打出的一条纸带如图所示，用刻度尺测得记数点1,2,3,4到记数起点O的距离分别为3.15cm,12.40cm,27.70cm,49.05cm，由此可得，物体的加速度为m/s2.

第3题图

4．某同学利用打点计时器研究做匀加速直线运动小车的运动情况．图示为该同学实验时打出的一条纸带，纸带上两相邻计数点的时间间隔是0.1s.从刻度尺中可以得到sAB＝________cm、sCD＝______cm，由这两个数据得出小车的加速度大小a＝______m/s2，打点计时器打B点时小车的速度v＝________m/s.

第4题图

实验二探究：

力的平行四边形定则

一、实验目的

探究力的平行四边形定则

二、实验原理

如果两个互成角度的共点力F1、F2作用于橡皮筋的结点上，与只用一个力F′作用于橡皮筋的结点上，所产生的效果__________（橡皮筋在相同方向上伸长相同的长度），那么，F′就是F1和F2的合力．根据__________定则作出两共点力F1和F2的合力F的图示，应与F′的图示等大同向．

三、实验器材

方木板一块；白纸；__________；橡皮筋；细绳套（两个）；三角板；刻度尺；图钉若干；细芯铅笔．

四、实验步骤

1．用图钉把白纸钉在放于水平桌面的方木板上．

2．用图钉把橡皮条的一端固定在A点，橡皮条的另一端拴上两个细绳套．

3．用两只弹簧分别钩住细绳套，互成角度地拉橡皮条，将结点拉到某一位置O，如图标记，记录两弹簧秤的读数，用铅笔描下O点的位置及此时两条细绳套的方向．

4．用铅笔和刻度尺从结点O沿两条细绳方向画直线，按选定的标度作出这两只弹簧秤的读数F1和F2的图示，并以F1和F2为邻边用刻度尺和三角板作平行四边形，过O点画平行四边形的对角线，此对角线即为合力下的图示．

5．只用一只弹簧秤钩住细绳套，把橡皮条的结点拉到同样的位置O，记下弹簧秤的读数F′和细绳的方向，用刻度尺从O点按选定的标度沿记录的方向作出这只弹簧秤的拉力F′的图示．

6．比较一下，力F′与用平行四边形定则求出的合力F的大小和方向．

7．改变两个力F1与F2的大小和夹角，重复实验两次．

五、误差分析

本实验误差的主要来源除弹簧测力计本身的误差外，还有读数误差、作图误差，因此读数时眼睛一定要正视，要按有效数字正确读数和记录，两力的对边要平行，两个分力F1和F2间的夹角θ越大，用平行四边形作图得到的合力F的误差ΔF也越大，所以实验中θ不宜过大或过小，以60°～120°为宜．

六、实验注意事项

（1）不要直接以橡皮条端点为结点，可拴一短细绳连两细绳套，以三绳交点为结点，应使结点小些，以便准确地记录结点O的位置．

（2）在同一次实验中，使橡皮条拉长时结点O的位置一定要相同．

（3）不要用老化的橡皮条，检查方法是用一个弹簧拉橡皮条，要反复做几次，使橡皮条拉到相同的长度，看弹簧读数有无变化．

（4）细绳套应适当长一些，便于确定力的方向．不要直接沿细绳套的方向画直线，应在细绳套末端用铅笔画一个点，取掉细绳套后，再将所标点与O点连接确定力的方向．

（5）在同一次实验中，画力的图示所选定的标度要相同，并且要恰当选取标度，使所作力的图示稍大一些．

【典型例题】某同学做“验证力的平行四边形定则”的实验情况如图甲所示，其中A为固定橡皮条的图钉。

O为橡皮条与细绳的结点，OB和OC为细绳．图乙是在白纸上根据实验结果画出的图．

（1）如果没有操作失误，图乙中的F与F′两力中，方向一定沿AO方向的是________．

（2）本实验采用的科学方法是________．

甲

乙

A．理想实验法　　B．等效替代法

C．控制变量法　　D．建立物理模型法

（3）实验时，主要步骤是：

A．在桌上放一块方木板，在方木板上铺一张白纸，用图钉把白纸钉在方木板上；

B．用图钉把橡皮条的一端固定在板上的A点，在橡皮条的另一端拴上两条细绳，细绳的另一端系着绳套；

C．用两个弹簧测力计分别钩住绳套，互成角度地拉橡皮条，使橡皮条伸长，结点达到某一位置O，记录下O点的位置，读出两个弹簧测力计的示数；

D．按选好的标度，用铅笔和刻度尺作出两只弹簧测力计的拉力F1和F2的图示，并用平行四边形定则求出合力F；

E．只用一只弹簧测力计，通过细绳套拉橡皮条使其伸长，读出弹簧测力计的示数，记下细绳的方向，按同一标度作出这个力F′的图示；

F．比较F′和F的大小和方向，看它们是否相同，得出结论．

上述步骤中：

①有重要遗漏的步骤的序号是________和________；

②遗漏的内容分别是____________________________和__________________________________．

【变式训练】　某同学用如图所示的实验装置来验证“力的平行四边形定则”．弹簧测力计A挂于固定点P，下端用细线挂一重物M.弹簧测力计B的一端用细线系于O点，手持另一端向左拉，使结点O静止在某位置．分别读出弹簧测力计A和B的示数，并紧贴于竖直木板记录O点的位置和拉线的方向．

（1）本实验用的弹簧测力计示数的单位为N，图中A的示数为________N.

（2）下列不必要的实验要求是________．（请填写选项前对应的字母）

A．应测量重物M所受的重力

B．弹簧测力计应在使用前校零

C．拉线方向应与木板平面平行

D．改变拉力，进行多次实验，每次都要使O点静止在同一位置

（3）某次实验中，该同学发现弹簧测力计A的指针稍稍超出量程，请您提出两个解决办法．

【随堂练习】

1．下面措施中，哪些是有利于减小误差，提高实验精度的（　　）

A．橡皮条弹性要好，拉力要适当大些

B．两个分力F1、F2间的夹角要尽量大些

C．拉橡皮条时，橡皮条细绳和弹簧秤应贴近木板

D．拉橡皮条的细绳要细且长，描出细绳拉力方向时，要在细绳正下方，稍远的距离上描出二点或者三个点

2.如图所示在“验证力的平行四边形定则”实验中，橡皮筋一端固定于P点，另一端连接两个弹簧秤，分别用力F1与F2拉两个弹簧秤，使这端拉至O点，若要这端始终位于O点，但使力F2大小不变地沿顺时针转过某一小角度，相应地使F1的大小及图中β角作以下的哪些变化是可能的（　　）

第2题图

A．增大F1的同时增大β角

B．增大F1的同时保持β角不变

C．增大F1的同时减小β角

D．减小F1的同时减小β角

3.

（1）做“验证力的平行四边形定则”的实验，在水平放置的木板上铺一张白纸，把橡皮条的一端固定在木板的A点，橡皮条的另一端拴上两细绳套，如图所示，两个弹簧测力计分别钩住细绳套，互成角度拉橡皮条使之伸长，到达某一位置O时需记下____________________、____________________，描下____________________，再用一个弹簧测力计钩住细绳套把橡皮条拉长，使结点到达位置____________________，再记下____________________．

（2）在做“验证力的平行四边形定则”实验中，若由于F1的误差使F1与F2的合力F方向略向左偏，如图所示，但F大于等于F′，引起这一结果的原因可能是F1的大小比真实值偏____________________，F1的方向使它与F2的夹角比真实值偏____________________．

第3题图

实验三探究：

加速度与物体质量、物体受力的关系

一、实验目的

1．学会用控制变量法研究物理规律；

2．学会怎样由实验结果得出结论；

3．探究加速度与力、质量的关系：

（1）质量一定时，加速度与作用力__________．

（2）作用力一定时，加速度与质量__________．

二、实验原理

1．采用__________：

当研究对象有两个以上的参量发生牵连变化时，我们设法控制某些参量使之不变，而研究其中两个参量之间的变化关系的方法，是物理实验中经常采取的一种方法，本实验有F，m，a三个参量，研究加速度a与F及m的关系时．我们先控制一个参量．该实验要求先控制小车的质量m不变、讨论a与F的关系，再控制小盘和砝码的质量不变，即F不变，改变小车的质量m，讨论a与m的关系．

2．要测量的物理量

小车与小车上砝码的总质量M——天平

小车受的拉力F——用天平测出小盘和砝码的质量m，F≈mg算出

小车的加速度a——通过打点计时器打出的纸带测算出．

三、实验器材

打点计时器、纸带、复写纸片、小车、一端附有定滑轮的长木板、小盘、砝码、夹子、细绳、低压交流电源、导线、天平（带有一套砝码）、刻度尺、坐标纸．

四、实验步骤

1．用天平测出小车和小盘的质量M和M′，把数值记录下来．

2．按照如图所示装置把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细线系在小车上（即不给小车加牵引力）．

3．平衡摩擦力：

在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块，反复移动木板的位置，直至小车在斜面上运动时可以保持匀速运动状态，这时小车拖着纸带运动时受到的摩擦力恰好与小车所受重力在斜面方向上的分力平衡．

4．把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂小盘，先接通电源再放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列的点．打点完成后切断电源，取下纸带，在纸带上标上纸带号码．

5．保持小车及车内砝码的质量不变，在小盘内放入质量为m′的砝码，重复步骤4.在小盘内分别放入质量为m″，m，…的砝码，再重复步骤4.m′，m″，m…的数值都要记录在纸带上（或表格内）．

6．在每条纸带上都选取一段比较理想的部分，标明计数点，测量计数点间的距离，算出每条纸带上的加速度的值．

7．用纵坐标表示加速度，横坐标表示力，根据实验结果在坐标平面上画出相应的点．若这些点在一条直线上，便证明了加速度与作用力成正比．

8．保持砝码和小盘的质量不变，在小车上依次加砝码（也需作好记录），重复上述步骤，用纵坐标表示加速度a，横坐标表示小车砝码总质量的倒数，在坐标平面上根据实验结果画出相应的点，如果这些点是在一条直线上，就证明加速度与质量成反比．

五、数据处理

1．把小车在不同力作用下产生的加速度填在下表中：

实验次数

加速度m/s-2

小车受力F/N

由以上数据画出它的a－F关系图象如图所示．

通过a－F关系图象，我们可以得出小车的加速度a与力F成正比．

2．把不同质量的小车在相同力作用下产生的加速度填在下表中：

实验次数

加速度m/s-2

小车质量M/kg

由以上数据画出它的a-1/M图像，如图所示

六、实验误差来源与分析

1．因实验原理不完善引起的误差．本实验用小盘和砝码的总重力mg代替小车的拉力，而实际小车所受的拉力要______小盘和砝码的总重力．小盘和砝码的总质量越接近小车和砝码的总质量，误差越大．

2．摩擦力平衡不准；质量测量不准；记数点间距测量不准；纸带拉线不严格与木板平行．

实验数据的处理方法——图象法、化曲为直的方法：

1．探究加速度与力的关系

以加速度a为纵坐标，以F为横坐标，根据测量的数据描点，然后作出图象，看图象是否是通过原点的直线，就能判断a与F是否成正比．

2．探究加速度与质量的关系

以a为纵坐标、m为横坐标，根据各组数据在坐标系中描点，将会得到如图甲所示的一条曲线．由图线只能看出m增大时a减小，但a与m具体是什么关系，不能得出．若以a为纵坐标，

为横坐标，将会得到如图乙所示的一条过原点的倾斜直线，据此可判断a与m成反比．

甲

　　乙

3．方法总结

利用图象处理数据是物理实验中常用的重要方法．在实验中如果发现一个变量x与另一个变量y成反比，那么，x就应与

成正比．因为在处理数据时，判断正比例函数图象比判断一条曲线是否为反比例函数图象要简单和直观得多，所以可以将反比例函数的曲线转化为正比例函数的直线进行处理．

七、注意事项

1．实验中易错步骤

（1）整个实验平衡了摩擦力后，不管以后是改变小盘和砝码的质量还是改变小车及砝码的质量，都不需要重新平衡摩擦力．平衡摩擦力是指小车所受动力（重力沿斜面分力）与小车所受阻力（包括小车所受摩擦力和打点计时器对小车后所拖纸带的摩擦力）大小相等．实验中，应在小车后拖上纸带，先接通电源，再用手给小车一个初速度．若在纸带上打出的点的间隔基本上均匀，才表明平衡了摩擦力，否则必须重新调整小木板的位置；

（2）平衡摩擦力后，必须满足小车及所加砝码的质量远大于小盘和砝码的总质量的条件下进行，只有如此，小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力；

（3）改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器（或尽量远离带滑轮的一端），并应先接通电源，再放开小车，且在小车到达滑轮前应按住小车；

（4）各纸带上的加速度a，都应是该纸带上的平均加速度；

（5）作图象时，要使尽可能多的点在落所作直线上，不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线两侧．

2．实验误差

（1）因实验原理不完善引起的误差

以小车、小盘和砝码整体为研究对象得mg＝（M＋m）a；以小车为研究对象得F＝Ma；求得

F＝

·mg＝

·mg

本实验用小盘和砝码的总重力mg代替小车的拉力，而实际上小车所