夏良英

(广东省深圳市龙华高级中学,广东 深圳 518109)

1 问题的提出

实验教学是物理教学内容的重要组成,是落实物理课程目标,全面提高学生科学素养的重要途径．关于实验能力,高考考试大纲上要求学生能灵活地运用学过的理论、实验方法、仪器去处理、分析．实验题命题特点侧重基本仪器的使用,实验演变一是从器材入手,二是从实验原理和设计方法的变化入手．

同一实验装置(如图1)可以设计探究多个实验,例如下列实验装置,稍为变形就可以用于这5个实验:“研究匀变速直线运动”、“验证牛顿运动定律”、“测量滑块与长木板之间的动摩擦因数”、“探究动能定理实验”、“验证系统机械能守恒定律”.

图1

但因为实验的目的不同,原理不同,所以装置的细节各不相同,处理数据的方法也不同．

在这几个实验中,学生主要分不清两个问题: (1) 需不需要平衡摩擦力?(2) 需不需小车的质量远大于钩码的质量?因此在这里我们需要关注一下实验图的变形．

2 4个相似的实验装置图

图1-图4最大的特点就是相似,大同小异,我们先来看一下各个图中每个器材出现的作用，这个器材是否可以用其他器材取代.

小车的作用:研究对象;钩码的作用:提供动力,让小车做加速运动;打点计时器和纸带的作用:记录小车的运动情况,计算速度和加速度．

图2

图3

图4

小车可以用滑块替代,钩码可以用砂桶或托盘和砝码替代,打点计时器和纸带可以用滴水计时器、速度传感器 、位移传感器(接收器和发射器)、光电门来替代．

从“图1”到“图2”的区别就在于:多了木块使木板倾斜用来平衡摩擦力．我们可以用气垫导轨来平衡摩擦力从而就不需要木块(或者替代长木板),其他的地方均没有变．

从“图2”到“图3”区别在于:多了力传感器．力传感器直接可以读出拉力的大小,因此做实验的时候不需要近似处理让T≈mg,也就不需要满足M≫m这个条件．

3 5个实验对比

在实验图“变形”之前我们需要厘清这几个问题: (1) 是否需要平衡摩擦力，从而决定是否需要垫木块或者用气垫导轨; (2) 是否需要近似拉力大小，从而决定是否需要力传感器．

3.1 研究匀变速直线运动(见表1)

表1

3.2 测量小车与木板间的动摩擦因数(见表2).

表2

3.3 验证牛顿运动定律(见表3).

表3

例1.图2为“验证牛顿第二定律”的实验装置示意图.砂和砂桶的总质量为m,小车和砝码的总质量为M.实验中用砂和砂桶总重力的大小作为细线对小车拉力的大小.

(1) 实验中,为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合外力,先调节长木板一端滑轮的高度,使细线与长木板平行.接下来还需要进行的一项操作是

(A) 将长木板水平放置,让小车连着已经穿过打点计时器的纸带,给打点计时器通电,调节m的大小,使小车在砂和砂桶的牵引下运动,从打出的纸带判断小车是否做匀速运动.

(B) 将长木板的一端垫起适当的高度,让小车连着已经穿过打点计时器的纸带,撤去砂和砂桶,给打点计时器通电,轻推小车,从打出的纸带判断小车是否做匀速运动.

(C) 将长木板的一端垫起适当的高度,撤去纸带以及砂和砂桶,轻推小车,观察判断小车是否做匀速运动.

(2) 实验中要进行质量m和M的选取,以下最合理的一组是

(A)M=200 g,m=10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 g.

(B)M=200 g,m=20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g.

(C)M=400 g,m=10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 g.

(D)M=400 g,m=20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g.

解析:此题目中明确说明了实验中用砂和砂桶总重力的大小作为细线对小车拉力的大小,因此需要平衡摩擦力,需要满足M≫m．

例2.如图5为用拉力传感器和速度传感器探究“加速度与物体受力的关系”实验装置,用拉力传感器记录小车受到拉力的大小,在长木板上相距L=48.0 cm的A、B两点各安装一个速度传感器,分别记录小车到达A、B时的速率． (1) 实验主要步骤如下:

① 将拉力传感器固定在小车上,______(“需要”或“不需要”)满足小车质量远大于钩码总质量.

图5

② 平衡摩擦力,让小车做________运动;

③ 把细线的一端固定在拉力传感器上,另一端通过定滑轮与钩码相连;

④ 接通电源后自C点释放小车,小车在细线拉动下运动,记录细线拉力F的大小及小车分别到达A、B时的速率vA、vB;

⑤ 改变所挂钩码的数量,重复④的操作.

解析:题目中第1句话已明确说了用拉力传感器和速度传感器探究,直接可以读出拉力大小,所以不需要满足M≫m．

3.4 探究动能定理(见表4)

表4

3.4 验证系统的机械能守恒定律(见表5)

表5

当学生面对这么多的物理实验装置图,一会儿有“教材原型实验”,一会儿又有“实验拓展创新实验”,都似曾相似,容易混淆,因此在教学中,我们通过从实验图的变形,关注实验细节,找它们的不同点,逐个分析,相信学生在做到类似的实验题时,就会很清晰,迎刃而解了．