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高一上学期实验学习应注意的问题

2020-02-26李树祥

中学生数理化·高一版 2020年1期
关键词:纸带计时器测力计

李树祥

物理学是以实验为基础的科学,要学好物理就必须做好实验。同学们在高一上学期的学习过程中接触到的实验主要有“用打点计时器测速度”“探究小车速度随时间变化的规律”“探究求合力的方法”“探究加速度与力、质量的关系”。学习这些实验,我们需要注意哪些问题呢?

一、实验仪器

做实验之前,必须先了解各个实验仪器的作用及使用方法,这样我们才能根据不同的实验要求选择合适的实验仪器完成实验操作。在高一上学期的学习过程中,同学们需要掌握的实验仪器主要是打点计时器和弹簧测力计。打点计时器是一种计时仪器,它的作用是通过在纸带上打点计时来得出位移和时间,打点的频率与所接交流电源的频率相同,一般为50 Hz、周期为0.02 s。打点计时器主要有电磁打点计时器和电火花计时器两种,电磁打点计时器是靠电磁带动振针上下振动通过复写纸在运动的纸带上打点,电火花计时器是靠计时器发出的脉冲电流产生火花放电蒸发墨粉在运动的纸带上打点。弹簧测力计是一种测力的大小的工具,主要由弹簧、挂钩、刻度盘构成。

使用打点计时器时需要注意的问题主要有:(1)要把打点计时器固定在实验桌上;(2)使用电磁打点计时器时,要在通电以前把纸带穿过限位孔,把复写纸压在纸带上,把电磁打点计时器的两个接线柱用导线分别与工作电压低于6V的交流学生电源的接线柱相连接;使用电火花计时器时,要使墨粉纸盘套在纸盘轴上,将两条纸带穿过限位孔,使墨粉纸盘在两条纸带之间,把计时器上的电源插头插在220 V交流电源插座上;(3)先通电等待l s-2 s,后拖动或释放物体;(4)打点后切断电源,取下纸带,再取2-3条纸带,重复前面的步骤;(5)选取点迹清晰的纸带,对测量点编号,数点计时,用刻度尺测量距离,记录数据,保留纸带。

使用弹簧测力计时需要注意的问题主要有:(1)应先将弹簧测力计水平放置,再检查、矫正零点;(2)弹簧测力计的读数比较简单,但一定要先弄清弹簧测力计的量程和分度值,再根据指针所指的位置(一定要看指针末端所指的位置)读出所测量力的大小,并注意估读;(3)读数时,视线要正对刻度,使用弹簧测力计测拉力时,拉力必须沿弹簧测力计的轴线方向。

例1 (2011年高考浙江卷)在“探究加速度与力、质量的关系”实验时,已提供了小车,一端附有定滑轮的长木板、纸带、带小盘的细线、刻度尺、天平、导线。为了完成实验,还须从图1中选取实验器材,其名称是____(漏选或全选得零分);并分别写出所选器材的作用____。

解析 为了完成实验,还需要电磁打点计时器(电火花计时器)用来记录小车运动的位置和时间;钩码用来改变小车的质量;砝码用来改变小车受到的拉力的大小,还可以用于测量小车的质量。若选电磁打点计时器,则需要学生电源;若选电火花计时器,则不需要学生电源。

例2 橡皮筋的一端固定在A点,另一端拴上两根细绳,每根细绳分别连着一个量程为5 N、最小刻度为0.1 N的弹簧测力计,沿着两个不同的方向拉弹簧测力计。当橡皮筋的活动端拉到O点时,两根细绳的方向如图2所示。这时弹簧测力计的示数可从图中读出。

(1)由图可读得两个分力的大小分别为___N和___ N。

(2)按力的图示法画出这两个力及它们的合力。

(3)作图法得到的合力为___ N。弹簧测力计c的示数为___ N。

解析 (1)因为弹簧测力计的最小分度为0.1 N,所以读得两个分力的大小分别为Fa=3. 50 N,Fb=4.00 N。

(2)取如图3所示的1 cm长表示1.0 N,则可得出Fa、Fb的长度,再由图2得出两力的方向,作出平行四边形,则其对角线的长度表示合力的大小,对角线箭头的指向表示合力的方向,故这两个力及它们的合力的图示如图3所示。

(3)根据合力的图示得F=4.60 N(在4. 50 N-4.80 N范围内均可),由图2读得弹簧测力计c的示数为4. 50 N。

二、实验步骤

实验步骤主要包括安装仪器、开始测量、处理数据、整理仪器。如“探究求合力的方法”实验步骤是:(1)用图钉把一张白纸钉在水平桌面上的方板上;(2)用图钉把橡皮条的一端固定在A点,将橡皮条的另一端拴上两个细绳套;(3)用两只弹簧测力计分别钩住细绳套,互成角度地拉橡皮条,使橡皮条伸长,结点到达o点,用铅笔记下O点的位置及两条细绳套的方向,并分别记录两弹簧测力计的读数F1和F2;(4)用铅笔和刻度尺从力的作用點(位置O)沿两条细绳套的方向画直线,按选定的标度作出F1、F2的图示,然后以F1、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,即为合力F的图示;(5)只用一只弹簧测力计,通过细绳套把橡皮条的结点拉到同样的位置O,记下细绳套的方向和弹簧测力计的读数F',用刻度尺从O点按选定的(相同)标度沿记录的方向作出F'的图示;(6)比较力F'与用平行四边形定则求出的合力F的大小和方向,看二者在实验误差允许的范围内是否相同;(7)改变两力F1、F2的大小和方向,重复实验两次,根据实验结果得出结论。再如“探究加速度与力、质量的关系”实验,可以用不同的方法,但基本步骤是:(1)测质量,即用天平测出小车和重物的质量M和m,并记录;(2)安装器材,即把带有定滑轮的长木板放在实验桌上,并使定滑轮伸出桌面,把打点计时器固定在长木板上没有定滑轮的一端,连接好电路,再把一条细绳拴在小车上,将细绳跨过定滑轮;(3)平衡摩擦力,即在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木板,反复移动其位置,直至不挂重物的小车刚好在斜面上保持匀速运动为止;(4)将重物通过细绳连接在小车上,接通电源放开小车,使小车运动,用纸带记录小车的运动情况,取下纸带,并在纸带上标上号码;(5)保持小车的质量不变,改变重物的重力重复步骤(4),每次必须在相应的纸带上做上标记,列表格将记录的数据填写在表格内;(6)建立直角坐标系,用纵坐标表示加速度,横坐标表示力,用描点法画出相应的图像以验证a与F的关系;(7)保持重物的质量不变,改变小车的质量(在小车上增减砝码),重复步骤(4)验证a与M的关系。

例3 在“探究求合力的方法”实验中,其中的三个实验步骤如下:

(1)在水平放置的木板上垫一张白纸,把橡皮条的一端固定在木板上,另一端拴两根细线,通过细线同时用两个测力计互成角度地拉橡皮条,使它与细线的结点到达某一位置O点,在白纸上记下O点和两测力计的读数F1和F2;

(2)在白纸上根据F1和F2的大小,应用平行四边形定则作图求出合力F;

(3)只用一只测力计通过细线拉橡皮条,使它的伸长量与两测力计同时拉时相同,记下此时测力计的读数F'和细线的方向。

以上三个步骤中均有错误或疏漏,请指出来。

解析 步骤(1)中没有记下F1、F2的方向,步骤(2)中应根据F1、F2的大小和方向作图,步骤(3)中应将结点拉至同一位置O点。

例4在研究匀变速直线运动的实验过程中,某同学用一端装有定滑轮的长木板、小车、打点计时器(频率为50 Hz)、钩码、纸带、细绳组成如图4甲所示的装置,用钩码拉动小车,使其做匀变速直线运动,得到如图4乙所示的一条纸带,纸带中相邻两个计数点之间有四个点未画出。

(1)某同学操作实验的步骤如下,其中有错误或不需要的步骤是( )。

A.将打点计时器固定在平板上,并接好电路

B.将纸带固定在小车尾部,并穿过打点计时器的限位孔

C.适当抬高长木板的右端,使不挂钩码的情况下,轻推小车,小车能匀速运动

D.把一条细绳拴在小车上,细绳跨过定滑轮,下面吊着适当重的钩码

E.将小车移至靠近打点计时器处

F.放开纸带,再接通电源

(2)用毫米刻度尺测量得图4乙中各计数点间的距离分别为xAB=3.00 cm、xAC =10.16 cm、xAD =21. 48 cm、xAE=36. 95 cm,则打D点时小车的速度大小为___ m/s,小车的加速度为____ m/s2。(结果保留三位有效数字)

解析 (1)C步骤的目的原本是平衡摩擦力,而由题图知实验中小车向右运动,摩擦力的方向是向左的,故应适当抬高长木板的左端,使小车重力沿板面的分力与摩擦力平衡,C错误。因为刚接通电源时,打点计时器的工作还不稳定,先释放纸带会造成计时误差,所以应先接通电源,待打点计时器工作稳定后再释放纸带,F错误。

三、数据处理

1.平均值法:取算术平均值是為了减小偶然误差而常用的一种数据处理方法。通常在同样的测量条件下,对于某一物理量进行多次测量的结果不会完全一样,而用多次测量的算术平均值作为测量结果,可以使得实验误差最小。

3.列表法:在实验中将数据记录在表格中,可以简明地显示出有关物理量之间的关系,便于检查测量结果和运算结果是否合理,有助于发现和分析问题。列表时应注意表格要直观地反映有关物理量之间的关系,清楚地展现测量的次数,测得的物理量的名称及单位,各测量值的有效数字等。

4.图解法:根据实验数据通过列表、描点作图、求斜率和坐标轴上的截距,表示所求未知量的方法。选取适当的自变量,通过作图可以找到或反映物理量之间的变化关系,并找出其中的规律,确定对应量的函数关系。比如在“验证牛顿第二定律”的实验中,为了证明在外力一定时,a与m成反比,若作a-m图像,则为双曲线的一支,不易分析结论,若改为作。a-1/m图像,则可以“化曲为直”,得到一条倾斜直线,比较直观,容易得出结论。

例5 某同学在做“研究匀变速直线运动”实验时,由打点计时器得到表示小车运动过程的一条清晰纸带,如图5所示,图中各点是每隔4个点而标出的计数点,打下相邻两计数点的时间间隔T=0.10 s,其中S1=7.05 cm、S2=7.68 cm、S3=8.33 cm、S4=8. 95 cm、S5 =9. 61 cm、S 6=10. 26 cm。求打A点时小车的瞬时速度和小车的加速度。(计算结果保留两位有效数字)

注意:“逐差法”的实质是尽可能选择靠近两个端点的两个清晰点(使s尽可能大),并使其包含的点为奇数,将所选范围内的点分成两半,每一半的时间为T,这两段的距离为sl、s2,再利用As =aT2计算加速度。

例6某同学在“验证牛顿第二定律”的实验中,在物体受外力不变时,改变物体的质量,得到数据如表1所示。

(1)根据表中数据,在如图6所示的坐标中描出相应的实验数据点,并作出a-m图像和。a-1/m图像。

(2)由a-m图像,你得出的结论为___ 。由。a-1/m图像,你得出的结论为__ 。

(3)物体受到的合力大约为___ N。(结果保留两位有效数字)

解析 (1)采用描点法作图。先根据表格中每组数据,在坐标上描点,再用平滑的曲线将点拟合起来。a-m图像如图7甲所示,a-1/m图像如图7乙所示。

(2)由a-m图像可知,在物体受外力不变时,物体的质量越大,它的加速度越小;由a-1/m图像可知,在物体受外力不变时,物体的

四、误差分析

任何测量都存在误差,其中由偶然因素造成的误差称为偶然误差,如仪表读数时,眼睛的位置一次稍向左偏,另一次可能稍向右偏;由仪器结构缺陷、实验方法不完善造成的误差称为系统误差,如测量重力加速度时不能消除空气阻力的影响。实验中要对误差进行分析,并采取方法尽量减小误差。如在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中,因为木板粗糙程度的不同会产生系统误差,所以实验中应尽量选取粗糙程度均匀的木板;因为位移测量的不准确会造成偶然误差,所以要选择点迹清晰的纸带,并适当舍弃点子密集部分,适当选取计数点(计数点和计时点有区别),应一次测量出各计数点到起始点的距离,读数时眼睛应正对毫米刻度尺并多次测量取平均值等。再如在“探究求合力的方法”的实验中,主要误差来源于读数、作图,以及弹簧测力计本身的误差,因此,实验前应先检查弹簧测力计的零点是否准确,在实验中拉细绳时必须与木板平行,读数时眼睛一定要正对刻度,按有效数字记录示数,作图时要准确,两个分力F1和F2间的夹角不能太大或太小,这样即使存在误差,也是正常的,而不能拼凑数据使实验非常完美,也不能只用特殊角度而不管其一般性。又如在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中,系统误差主要来源于把重物的重力看成小车的拉力,以及忽略摩擦力等,而根据该实验原理知拉力T=mg ·M/M+m因此在每次实验中均要求小车质量M远大于重物质量m,还要使细线与木板平行;平衡摩擦力时既不能不足也不能过度等。

例7 (2018年高考江苏卷)某同学利用如图8所示的实验装置来测量重力加速度g。细绳跨过固定在铁架台上的轻质滑轮,两端各悬挂一只质量为M的重锤。实验操作如下:

①用米尺量出重锤l底端距地面的高度H;

②在重锤1上加上质量为m的小钩码;

③左手将重锤2压在地面上,保持系统静止,释放重锤2,同时右手开启秒表,在重锤1落地时停止计时,记录下落时间;

④重复测量3次下落时间,取其平均值作为测量值t。

请回答下列问题:

(1)步骤④可以减小对下落时间t测量的_____(选填“偶然”或“系统”)误差。

(2)实验要求小钩码的质量m要比重锤的质量M小很多,主要是为了____ 。

A.使H测得更准确

B.使重锤1下落的时间长一些

C.使系统的总质量近似等于2M

D.使细绳的拉力与小钩码的重力近似相等

(3)滑轮的摩擦阻力会引起实验误差。现提供一些橡皮泥用于减小该误差,可以怎么做?

(4)使用橡皮泥改进实验后,重新进行实验测量,并测出所用橡皮泥的质量为m。。用实验中的测量量和已知量表示g,得g=___。

解析

(l)时间的测量会因为人为操作快慢和读数问题而带来误差,属于偶然误差。

(2)因为自由落体的加速度较大,下落H高度的时间较短,為了减小时间测量的误差,就要使重锤下落的时间长一些,即系统下降的加速度要小,所以应使小钩码的质量m比重锤的质量M小很多。

(3)为了消除滑轮的摩擦阻力,可将橡皮泥粘在重锤l上,轻拉重锤1放手后若系统做匀速运动,则表示平衡了摩擦阻力。

例8 在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中,某同学使用了如图9所示的装置,打点计时器的打点频率为50 Hz。

(1)该同学得到一条纸带,在纸带上取连续的六个点A、B、C、D、E、F,如图10所示,相邻两点间的距离分别为10.0 mm、12.0 mm、14.0 mm、16.0 mm、18.0 mm,则打E点时小车的速度为____ m/s,打A、F两点的过程中小车的平均速度为__- m/s,小车的加速度为___ m/s2。

(2)该同学要探究小车的加速度a与质量M的关系,应该保持拉力不变,得到多组数据后他应描绘的是 ___(选填“a -M”或“a一1/m)图像。

(3)该同学通过数据的处理作出了a-F图像,如图11所示,则:

①图中的直线不过原点的原因是

②图中的直线发生弯曲的原因是 ____

(2)直线是最能直观、方便地描绘出两个量之间的关系问题的,因此我们在描述图像时应尽量获得直线,即本实验中需要描绘的是a-1/m图像。

(3)由a-F图像可知,小车受到的拉力为0时,小车的加速度大于0,即合外力大于0,说明平衡摩擦力过度;该实验中当小车的质量远大于钩码的质量时,才能近似认为细线对小车的拉力大小等于砝码盘和砝码的总重力大小,随着F的增大,即随着钩码质量增大,钩码的质量不再比小车的质量小得多,因此会出现较大误差,图像会产生偏折现象。

编后注:除上述四大方面需要注意的问题之外,同学们还需要明确物理实验中的实验原理也是非常重要的。当课本中所学过的物理规律或物理公式中含有某一物理量时,该规律或公式就可作为研究或测定该物理量的实验原理而进行相应的实验设计。实验原理是实验设计的依据,是设计性实验的基础。要研究实验,只有明确实验的原理,才能真正掌握实验的关键、操作的要点,进而进行实验的设计、改造和创新。因为一个物理量可能出现在不同的公式中,所以在研究或测定该物理量时,就可以运用不同的原理,选定不同的器材和步骤进行实验。同学们在平常的学习中,一定要打好基础,牢牢掌握物理课程的基本知识和基本规律!

(责任编辑 张巧)

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