第一講實驗研究勻變速直線運動一、打點計時器1．電磁打點計時器使用交流電壓為 4V～6V的電源，當電源涉率是50Hz時，它每隔 0.02s打一個點．2．電火花計時器是利用火花放電在紙帶上打出小孔而顯示出點跡的計時儀器，使用220V交流電壓，當電源頻率為50Hz時，它也是每隔0.02s打一個點．二、紙帶的數據記錄1．取點的原則：從打下的紙帶中選取點跡清晰的紙帶，舍掉開始比較密集的點跡，以便于測量位置取一個計數點A，然后每5個點(或者說每隔4個點)如圖所示，取一個計數點B、C、D….這樣每兩個計數點間的時間間隔為T＝0.1s，計算比較方便．2．從紙帶讀取長度的方法：利用毫米刻度尺．測出各點到A點的距離，算出相鄰計數點間的距離s1、s2、s3、s4、s5、s6….由于毫米刻度尺的最小刻度是mm，讀數時必須估讀到mm的下一位．三、實驗原理1．利用紙帶判斷物體是否做勻變速直線運動的方法設s1、s2、s3……為紙帶上相鄰兩個計數點之間的距離，若Δs＝s2－s1＝s3－s2＝s4－s3＝……＝常數，即連續相等的時間間隔內的位移之差為恒量，則與紙帶相連的物體做勻變速直線運動．2．由紙帶求物體運動加速度的方法(1)逐差法：根據s4－s1＝s5－s2＝s6－s3＝3aT2，求a1、a2、a3，再算出a1、a2、a3的平均值即為我們所求的勻變速直線運動物體的加速度．設T為相鄰兩計數點之間的時間間隔，則a1＝eq\f(s4－s1,3T2)，a2＝eq\f(s5－s2,3T2)，a3＝eq\f(s6－s3,3T2)加速度的平均值為a＝eq\f(a1＋a2＋a3,3)“逐差法”求加速度的目的是盡可能多地使用我們測量的數據s1、s2、s3……，以減小偶然誤差．(2)用v－t圖象求加速度：根據勻變速直線運動某段時間中間時刻的瞬時速度等于這段時間內的平均速度即vn＝eq\f(sn＋sn＋1,2T)，求出打各個計數點時紙帶的瞬時速度，再作出v－t圖象，圖線的斜率即為做勻變速直線運動物體的加速度．四、實驗器材電火花計時器或電磁打點計時器、一端附有滑輪的長木板、小車、紙帶、細繩、鉤碼、刻度尺、導線、電源、復寫紙．五、實驗步驟1．把一端附有滑輪的長木板平放在實驗桌上，并使滑輪伸出桌面，把打點計時器固定在長木板上沒有滑輪的一端，連接好電路，如圖所示．2．把一條細繩拴在小車上，細繩跨過滑輪，并在繩的另一端掛上合適的鉤碼，把紙帶穿過打點計時器(紙帶要放在復寫紙下面)，并把紙帶的一端固定在小車的后面．3．把小車停在靠近打點計時器處，接通電源后，放開小車，讓小車拖著紙帶運動，打點計時器就在紙帶上打下一系列的點．取下紙帶，換上新紙帶，重復實驗三次．4．從三條紙帶中選擇一條比較理想的紙帶，舍掉開頭一些較密集的點，在后邊便于測量的地方找一個開始點，為了測量方便和減少誤差，通常不用每打一次點的時間作為時間的單位，而用每打五次點的時間作為時間的單位，就是T＝0.02s×5＝0.1s，在選好的開始點下標明A，依次標為B、C、D、E……(這些點叫做計數點)．5．一般要測出六段位移s1、s2、s3、s4、s5、s6.6．根據測量結果，利用“實驗原理”中給出的公式算出加速度a1、a2、a3的值，(注意T＝0.1s)求出a1、a2、a3的平均值，就是小車做勻變速直線運動的加速度．六、注意事項1．要在鉤碼落地處放置軟墊或砂箱，防止撞壞鉤碼．2．要在小車到達滑輪前用手按住它或放置泡沫塑料擋板，防止車掉在地上或撞壞滑輪．3．開始釋放小車時，應使小車靠近打點計時器．4．應該先接通電源，待打點計時器工作穩定后，再釋放小車．5．小車另一端所掛的鉤碼個數要適當，避免加速度過大而使紙帶上打的點太少，或者加速度太小，使各段位移無多大區別．6．選擇一條理想的紙帶，是指紙帶上的點跡清晰．適當舍棄點子密集部分，適當選取計數點(計數點和計時點有區別)，弄清楚所選的時間間隔T等于多少秒．七、誤差分析本實驗中誤差來源于s和T.由于電源頻率很穩定，所以打點時間T的誤差可忽略不計．在用毫米刻度尺測量s時，要求眼睛正對刻度尺．【特別提醒】除了每兩計數點間逐段測量長度s1、s2、s3…外，還可讓刻度尺的零刻度對準第一個計數點0，分別測出各計數點1、2、3…到0點的距離d1、d2、d3…，此時用vn＝eq\f(dn＋1－dn－1,2T)來求各點的瞬時速度．第二講實驗驗證平行四邊形法則1．實驗目的驗證互成角度的兩個力合成時的平行四邊形定則．2．實驗原理①等效法：使一個力F′的作用效果和兩個力F1、F2的作用相同，都是讓同一條一端固定的橡皮條伸長到某點，所以一個力F′就是這兩個力F1和F2的合力，作出力F′的圖示，如圖所示．②平行四邊形法：根據平行四邊形定則作出力F1和F2的合力F的圖示．③驗證：比較F和F′的大小和方向是否相同，若有誤差允許的范圍內相同，則驗證了力的平行四邊形定則．3．實驗器材方木板、白紙，彈簧測力計(兩只)，橡皮條，細繩套(兩個)，三角板，刻度尺，圖釘(幾個)．4．實驗步驟①用圖釘把白紙釘在水平桌面上的方木板上．②用圖釘把橡皮條的一端固定在A點，橡皮條的另一端拴上兩個細繩套．③用兩只彈簧測力計分別鉤住細繩套，互成角度地拉橡皮條，使橡皮條與繩的結點伸長到某一位置O，如圖所示，記錄兩彈簧測力計的讀數，用鉛筆描下O點的位置及此時兩細繩的方向．④用鉛筆和刻度尺從結點O沿兩條細繩方向畫直線，按選定的標度作出這兩只彈簧測力計的拉力F1和F2的圖示，并以F1和F2為鄰邊用刻度尺作平行四邊形，過O點畫平行四邊形的對角線，此對角線即為合力F的圖示．⑤只用一只彈簧測力計通過細繩套把橡皮條的結點拉到同樣的位置O，記下彈簧測力計的讀數和細繩的方向，用刻度尺從O點按同樣的標度沿記錄的方向作出這只彈簧測力計的拉力F′的圖示．⑥比較力F′與平行四邊形定則求出的合力F在大小和方向上是否相同．⑦改變兩個力F1和F2的大小和夾角，再重復實驗兩次．5．實驗注意事項①在同一次實驗中，使橡皮條拉長時結點的位置一定要相同．②用兩個彈簧測力計鉤住細繩套互成角度地拉橡皮條時，其夾角不宜太小，也不宜太大，以60°～100°之間為宜．③讀數時應注意使彈簧測力計與木板平行，并使細繩與彈簧測力計的軸線在同一條直線上，避免彈簧與測力計外套、彈簧測力計的限位卡之間有摩擦．讀數時眼睛要正視彈簧測力計刻度，在合力不超出量程及橡皮條在彈性限度內的前提下，測量數據盡量大一些．④細繩應適當長一些，便于確定力的方向．不要直接沿細繩方向畫直線，應在細繩兩端畫兩個射影點．取掉細繩后，連直線確定力的方向．⑤以調零后的彈簧測力計的兩掛鉤互鉤后對拉，讀數相同為宜．⑥在同一次實驗中，畫力的圖示選定的標度要相同，并且要恰當選定標度，使力的圖示稍大一些．6．實驗誤差分析①讀數誤差減小讀數誤差的方法：彈簧測力計數據在允許的情況下，盡量大一些．讀數時眼睛一定要正視刻度尺，要按有效數字正確讀數和記錄．②作圖誤差減少作圖誤差的方法：作圖時兩力的對邊一定要平行．兩個分力F1、F2間的夾角越大，用平行四邊形作出的合力F的誤差ΔF就越大，所以實驗中不要把F1、F2間的夾角取得太大．第三講驗證牛頓第二定律1．實驗目的、原理圖3－14－1實驗目的：驗證牛頓第二定律，即物體的質量一定時，加速度與作用力成正比；作用力一定時，加速度與質量成反比．圖3－14－1實驗原理：利用砂及砂桶通過細線牽引小車做加速運動的方法，采用控制變量法研究上述兩組關系．如圖3-14-1所示，通過適當的調節，使小車所受的阻力忽略，當M和m做加速運動時，可以得到當M>>m時，可近似認為小車所受的拉力T等于mg．本實驗第一部分保持小車的質量不變，改變m的大小，測出相應的a，驗證a與F的關系；第二部分保持m不變，改變M的大小，測出小車運動的加速度a，驗證a與M的關系．2．實驗器材打點計時器，紙帶及復寫紙，小車，一端附有滑輪的長木板，小桶，細繩，砂，低壓交流電源，兩根導線，天平，刻度尺，砝碼．3．實驗步驟及器材調整(1)用天平測出小車和小桶的質量M和m，把數值記錄下來．(2)按圖3-14-2所示把實驗器材安裝好．(3)平衡摩擦力：在長木板的不帶滑輪的一端下面墊上一塊薄木板，反復移動其位置，直至不掛砂桶的圖3－14－2小車剛好在斜面上保持勻速運動為止．圖3－14－2(4)將砂桶通過細繩系在小車上，接通電源放開小車，使小車運動，用紙帶記錄小車的運動情況，取下紙帶，并在紙帶上標上號碼．(5)保持小車的質量不變，改變砂桶中的砂量重復步驟(4)，每次記錄必須在相應的紙帶上做上標記，列表格將記錄的數據填寫在表內．(6)建立坐標系，用縱坐標表示加速度，橫坐標表示力，在坐標系上描點，畫出相應的圖線以驗證a與F的關系．(7)保持砂及小桶的質量不變，改變小車的質量(在小車上增減砝碼)，重復上述步驟(5)、(6)驗證a與M的關系．4．注意事項(1)在本實驗中，必須平衡摩擦力，方法是將長木板的一端墊起，而墊起的位置要恰當．在位置確定以后，不能再更換傾角．(2)改變m和M的大小時，每次小車開始釋放時應盡量靠近打點計時器，而且先通電再放小車．(3)每次利用紙帶確定a時，應求解其平均加速度．5．數據處理及誤差分析(1)該實驗原理中T=，可見要在每次實驗中均要求M>>m，只有這樣，才能使牽引小車的牽引力近似等于砂及砂桶的重力．(2)在平衡摩擦力時，墊起的物體的位置要適當，長木板形成的傾角既不能太大也不能太小，同時每次改變M時，不再重復平衡摩擦力．(3)在驗證a與M的關系時，作圖時應將橫軸用l／M表示，這樣才能使圖象更直觀．第四講實驗研究平拋運動一、實驗原理平拋物體的運動可以看作是兩個分運動的合運動：一個是水平方向的勻速直線運動，另一個是豎直方向的自由落體運動．使小球做平拋運動，利用描跡法描出小球的運動軌跡，即小球做平拋運動的曲線，建立坐標系，測出曲線上的某一點的坐標x和y，根據重力加速度g的數值，利用公式y＝gt2/2，求出小球的飛行時間t，再利用公式x＝v0t，求出小球的水平分速度，即為小球做平拋運動的初速度v0＝二、實驗器材斜槽，豎直固定在鐵架臺上的木板，鉛筆，白紙，圖釘，小球，刻度尺，重垂線．三、實驗步驟1．安裝調整斜槽：用圖釘把白紙釘在豎直板上，在木板的左上角固定斜槽，可用平衡法調整斜槽，即將小球輕放在斜槽平直部分的末端處，能使小球在平直軌道上的任意位置靜止，就表明斜槽末端的水平已調好．2．調整木板：用懸掛在槽口的重垂線把木板調整到豎直方向，并使木板平面與小球下落的豎直面平行．然后把重垂線方向記錄到釘在木板上的白紙上，固定木板，使在重復實驗的過程中，木板與斜槽的相對位置保持不變．3．確定坐標原點O：把小球放在槽口處，用鉛筆記下球在槽口時球心在木板上的 水平投影點O，O點即為坐標原點．4．描繪運動軌跡：讓小球從斜槽上一個確定的位置自由下滑，用眼睛粗略地確定做平拋運動的小球在某一x值處(如x＝1cm)的y值，再用鉛筆較準確地確定小球通過的位置，并在坐標紙上記下這一點．用同樣的方法，找出小球平拋軌跡上的一系列位置．用平滑的曲線把所記下的小球通過的位置連接起來就得出小球做平拋運動的軌跡．5．測量記錄數據：以O點為原點畫出豎直向下的y軸和水平向右的x軸，并在曲線上選取A、B、C、D、E、F六個不同的點，用刻度尺和三角板測出它們的坐標x和y，記錄在設計的表格內．6．計算初速度：用公式x＝v0t和y＝eq\f(1,2)gt2計算出小球的初速度v0，最后計算出v0的平均值，并將有關數據記入表格內．四、實驗注意事項1．實驗中必須保持通過斜槽末端點的切線水平，木板必須處在豎直面內且與小球運動軌跡所在的豎直平面平行，并使小球的運動靠近圖板但不接觸．2．小球必須每次從斜槽上同一位置由靜止滾下，即在斜槽上固定一個擋板，每次都從擋板位置釋放小球．3．坐標原點(小球做平拋運動的起點)不是槽口的端點，應是小球在槽口時，球心在木板上的水平投影點．4．要在斜槽上適當的高度釋放小球，使它以適當的水平初速度拋出，其軌跡由圖板左上角到達右下角；要在平拋軌跡上選取距O點遠一些的點來計算小球的初速度，這樣可以減小測量誤差．五、實驗誤差分析1．安裝斜槽時，其末端不水平．2．小球做平拋運動受空氣阻力影響，宜用密度大的金屬小球．3．小球每次滾下的初位置不盡相同．4．建立坐標系時，可能誤將斜槽末端端口作為坐標原點．第五講用實驗方法探究動能定理【實驗目的】用實驗方法探究動能定理【實驗原理】外力對物體所做功等于物體動能增量。實驗中，可以通過改變橡皮筋的根數，達到改變外力做功；通過打電計時器記錄物體運動，分析物體的速度，從而得到它的動能增量；當然也可以直接利用光電門測出物體獲得的速度打點計時器打點計時器紙帶橡皮筋【實驗器材】打電計時器，物體，電源，橡皮筋（保證近似相同），木板（或：汽墊導軌，光電計時裝置）【實驗步驟】1．按圖把實驗器材安裝好，并平衡摩擦力。（調平墊導軌）2．用一根橡皮筋套住物塊，拉至某位置O，接通電源，放開物塊，打點計時器在紙帶上打下一系列點，取下紙帶，在紙帶上寫上編號。3．改變橡皮筋根數，從同一位置O，釋放物塊，得到一系列紙帶通過紙帶數據處理，得到物塊的速度第六講實驗驗證機械能守恒定律一、實驗原理當物體自由下落時，只有重力做功，物體的重力勢能和動能互相轉化，機械能守恒．若某一時刻物體下落的瞬時速度為v，下落高度為h，借助打點計時器，測出重物某時刻的下落高度h和該時刻的瞬時速度v，算出mgh和mv2/2，若mgh＝mv2/2，即可驗證機械能守恒．測定第n點的瞬時速度的方法是：如圖所示，測出第n點的相鄰前、后兩段相等時間T內下落的距離sn和sn＋1，由公式vn＝(sn＋sn＋1)/(2T)，或vn＝(dn＋1－dn－1)/(2T)，求出打第n個點時紙帶的瞬時速度．二、實驗器材鐵架臺(帶鐵夾)，打點計時器(帶復寫紙)，學生電源，導線，帶鐵夾的重錘，紙帶，毫米刻度尺三、實驗步驟1．安裝置：按如圖所示裝置把打點計時器安裝在鐵架臺上，用導線把打點計時器與學生電源連接好．把紙帶的一端在重錘上用夾子固定好，另一端穿過計時器限位孔，用手豎直提起紙帶使重錘停靠在打點計時器附近．2．打紙帶：接通電源，松開紙帶，讓重錘自由下落，重復幾次，得到3～5條打好點的紙帶．3．選紙帶：在打好點的紙帶中挑選點跡清晰的一條紙帶．4．數據處理：在紙帶起始點標上0，以后各依次標上1,2,3，…，用刻度尺測出對應下落高度d1、d2、d3….應用公式vn＝(dn＋1－dn－1)/(2T)計算各點對應的瞬時速度v1、v2、v3….5．驗證：法一：利用起始點和第n點計算，計算各點對應的勢能減少量mghn和動能的增加量mvn2/2，分別進行比較．法二：任取紙帶上兩點由mgΔh和eq\f(1,2)mv22－eq\f(1,2)mv12進行比較．四、數據處理1．在起始點標上0，在以后各點依次標上1、2、3……用刻度尺測出對應下落高度h1、h2、h3……2．利用公式vn＝eq\f(hn＋1－hn－1,2T)計算出點1、點2、點3……的瞬時速度v1、v2、v3……3．驗證方法一：利用起始點和第n點計算．代入ghn和eq\f(1,2)vn2，如果在實驗誤差允許的條件下ghn＝eq\f(1,2)vn2，則機械能守恒定律是正確的．方法二：任取兩點計算．(1)任取兩點A、B測出hAB，算出ghAB.(2)算出eq\f(1,2)vB2－eq\f(1,2)vA2的值．(3)若在實驗誤差允許的條件下ghAB＝eq\f(1,2)vB2－eq\f(1,2)vA2，則機械能守恒定律是正確的．方法三：圖象法．從紙帶上選取多個點，測量從第一點到其余各點的下落高度h，并計算各點速度的平方v2，然后以eq\f(1,2)v2為縱軸，以h為橫軸，根據實驗數據繪出eq\f(1,2)v2－h圖線．若在誤差允許的范圍內，圖象是一條過原點且斜率為g的直線，則驗證了機械能守恒