陈  新

上虞市教学研究室(312300)

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09年浙江省高考《考试说明》中规定的力学实验有8个，这些实验都精选自《教学指导意见》中规定的15个力学实验，其中涉及静力学的有2个，动力学的有6个。它们既有研究运动规律的实验，也有探究物理量关系和验证物理定律的实验，是众多力学实验的浓缩和代表。每个实验都包含不同的典型操作，正是这些典型实验操作构成了力学实验最核心的知识和技能。分析、总结每个实验所包含的典型操作，不仅有利于更好落实实验教学目标，掌握实验知识，提高实验技能，而且能有效应对日趋灵活、开放的实验xx。以下是笔者对《考试说明》中规定的8个力学实验所包含的典型操作的总结，供大家参考。

一、研究匀变速直线运动

这是个重要的运动学实验，内容包括教材{dy}、二章中的用打点计时器测速度、探究小车速度随时间变化的规律等。

? 典型操作1：打点计时器使用

打点计时器是常用仪器，包括电磁打点计时器和电火花打点计时器，要求熟悉纸带的安装和使用的电源。

? 典型操作2：小车释放位置选择

实验要求小车从靠近打点计时器位置释放，保证实验有足够多的有效打点（实验数据点一般至少5、6个）。在其他类似实验中都有如此要求，如落体法验证机械能守恒，探究功与速度变化关系等实验。

? 典型操作3：小车释放

实验时注意操作顺序，要先“开启电源，再释放小车”，以使打点计时器工作稳定后再开始实验，结束后要立即关闭电源，一般打点计时器只能连续工作很短时间。参见08年广东物理卷16题。

? 典型操作4：纸带处理，包括纸带选择、研究起点及计数周期确定、时间、速度、加速度计算。

选择点迹清晰的纸带，舍掉开头一些过于密集的点迹，选择一个适当的点当做计时起点（主要从测量误差角度考虑，要求与相邻一个点的距离不能太小）；选择合适的时间间隔（目的使实验数据足够多）；要分清打点与计数点，正确计算计数周期；某研究点的速度用合适的两点间平均速度代替（既要接近瞬时速度又要考虑测量误差），或利用一段时间的平均速度等于该时间中点速度得到；加速度的计算，一般根据Δs=at²采用多项逐差或作v-t图像得到。

? 典型操作5：长度测量

用刻度尺测量长度是力学实验的基本操作，主要是正确读数，注意有效数字。

? 典型操作6：加速度的逐差法计算

逐差法处理实验数据是一种常用的数据处理方法，分逐项逐差和多项等间距逐差两种。不仅要会在该实验中运用多项等间距逐差法计算加速度，而且要求能理解这种方法，在其他实验中灵活应用，如在伏安法测电阻实验中计算电阻，在探究弹力和弹簧伸长关系实验中求弹簧的劲度系数，在探究单摆周期与摆长关系实验中计算当地重力加速度值等，参见08年北京卷第21-Ⅱ题。

? 典型操作7：实验数据的图像法处理

图像法处理实验数据，就是选择恰当的坐标轴，把实验测得的数据通过描点、作图得出物理结论的方法，也是物理实验常用的数据处理方法。操作主要是：注意坐标轴表示的量、单位和标度；平滑曲线拟合，要顺势平滑，做到“不能落在曲线上的点大致均匀地分布在曲线两侧，个别明显偏离的点应舍去”；关注截距、交点、拐点、面积、周期、斜率等的物理意义，会计算斜率，即选取直线上相距较远但在实验范围之内的两点（不一定要取原来数据点）计算。

? 典型操作8：时间的光电门测量

利用光电门能测两种时间，一是运动物体上的遮光条（宽度x）通过光电门的遮光时间t，二是运动物体开始运动到到达某光电门位置的时间t，据此可以得到运动物体在光电门位置的速度v=x/t，或v=2l/t(l为运动开始点到光电门位置的距离)。

该实验主要的误差来源有，电源频率波动等导致的计时误差、长度测量误差；用平均速度代替瞬时速度的速度计算误差；图像法处理数据时描点作图带来的近似等。

二、探究求合力的方法

这是个静力学实验，主要运用等效的实验方法研究分力与合力的关系。

? 典型操作1：测力计的使用

力必须沿拉线方向施加，使得两力大小、夹角合适，方向沿拉线，贴近并平行木板。正确读取弹簧秤读数，并修正零误差。

? 典型操作2：力方向的记录

记录拉线方向，即力的方向。

? 典型操作3：相同作用效果实施

在每次不同力的作用下，使橡皮条结点拉伸到同一点以保证各次力的作用效果相同。

? 典型操作4：力的图示绘制

力的图示绘制包括，定标度、按比例画线段长度表示力的大小和线段指向表示力的方向三个方面。

该实验主要的误差来源有长度、力和角度等物理量的测量误差，绘制力的图示的作图误差等。

三、探究弹力和弹簧伸长的关系

该实验也是静力学实验，主要探究胡克定律，测定弹簧的劲度系数。

? 典型操作1：弹簧的选取

实验应选择轻质，可以不计自身质量的弹簧进行研究，注意实验中始终不能超过弹性限度。

? 典型操作2：弹簧的悬挂

弹簧的悬挂一般有两种方式但都存在系统误差。一种是竖直悬挂，这种悬挂方法会因弹簧自身重力影响实验；另一种是水平方向悬挂，它可以避免自身重力对实验的影响，但会受静摩擦影响。

? 典型操作3：弹簧形变位置的记录

从固定的刻度尺上读取依次增加钩码后弹簧一端的每次位置刻度。也可以由增重位置和减重位置计算平均位置（考虑非弹性形变）。

? 典型操作4：弹力等值变化

挂等质量钩码，逐个增减

? 典型操作5：实验数据处理

用图像法处理时横坐标可以是弹簧长度，也可以是弹簧伸长长度，弹簧原长、劲系数k由图像得到；用逐差法计算参见08年北京卷第21-Ⅱ题。

本实验的主要误差来源有弹簧自身重力、静摩擦影响，长度测量误差，处理数据中描点作图时的近似等。

四、探究加速度与力、质量的关系

该实验主要用控制变量法探究多个物理量之间的关系，是一个如何在加速运动中测量外力的典型实验。

? 典型操作1：实验变量的控制

控制变量法就是M一定时，探究a与F关系；F一定时，探究a与M关系。具体实验中如何控制变量？这涉及具体实验装置和实验原理，参见07年江苏卷13题。

? 典型操作2：变量间关系的寻找

一般先检验是否正比、成反比，再考虑与平方的关系。通过变换和选择恰当的坐标，实现实验图线的化曲为直，从而确定变量间的函数关系。

? 典型操作3：天平的使用

天平使用步骤：先调水平，再调平衡（游码拨0，调节平衡螺母至天平平衡），然后放秤量物（左物右码，腐蚀性物质要用称量纸，两边都放）。物体质量=砝码的总质量+游码所示质量。使用时，一要防调水平和调平衡的顺序颠倒；二要防调水平后的天平随意移动位置；三要防在调平衡时游码未放到零位置；四要防不遵从由大到小的顺序选用砝码；五要防各组之间互借互换砝码。

? 典型操作4：加速度的测量

加速度的测量可以像研究匀变速直线运动实验那样通过逐差法或图像法得到，也可以根据 （条件是v₀=0）或 （条件是v₀=0，且同时释放）得到。

? 典型操作5：恒力的提供

在变速运动中对研究对象施加恒力常见有三种方式：单物牵引、双物悬挂和直线斜轨，详见《力学常见实验装置归类分析》一文。

? 典型操作6：恒力的测量

对于单物牵引方式，研究对象受到的恒力等于小盘和砝码重力mg，需要满足其质量M>>m和平衡阻力（不受绳拉力，装好纸带并穿过限位孔，调整倾斜程度使小车匀速）；若以（M+m）为实验研究对象，则无需满足M>>m条件，但仍需平衡阻力。对于双物悬挂方式，实验以（m₁+m₂）为研究对象，受到的恒力F=(m₁-m₂+Δm)g，Δm是平衡滑轮系统的阻力时，为使其匀速两边所悬挂物块的质量差。对于直线斜轨方式，研究对象受到的恒力F=Mg(sinθ+μcosθ)，θ为斜轨的倾角，动摩擦因数μ=tanα（α为研究对象匀速运动时斜轨的倾角）。

该实验误差的主要来源有质量、长度等的测量误差，实验原理引起的力测量误差，实验装置存在的摩擦等阻力带来的误差，描点作图的近似等。

五、探究功与物体速度变化的关系

该实验主要采用单位倍增的方法改变外力所做的功来探究动能定理。

? 典型操作1：小车获得速度计算

小车从静止开始做变加速运动，{zh1}做匀速运动；根据后面点距均匀（即匀速）段计算速度，作为获得的{zd0}速度

? 典型操作2：运动阻力的补偿

略微倾斜木板，用重力分力抵消运动阻力，与其他实验（如研究匀变速运动）做法相同。

? 典型操作3：变力做功的计算

采用单位倍增法，把1根橡皮条做功计为1个单位，做功与橡皮筋条数成正比（nW）。前提条件是“每次实验中橡皮筋拉伸的长度保持一致（即小车释放位置相同）”

? 典型操作4：W与v关系寻找

先估算后验证；从一次函数到二次函数，与其他实验同。

该实验的主要误差有每个橡皮条的不一致带来的误差，存在阻力等引起的误差，长度测量和速度计算引起的误差等。

六、验证机械能守恒定律

该实验是{wy}的一个验证重要物理定律的实验，除用落体法外，也可以用其他试验装置验证。

? 典型操作1：重物的选取

重锤选择时要求其体积不太大、质量不太小，以减小阻力影响。

? 典型操作2：纸带阻力控制

正确安装打点计时器（要保证两限位孔连线竖直、打点计时器平面竖直），拉直纸带，以减小纸带与限位孔间的阻力。

? 典型操作3：质量的测量

质量不一定需要测量，需验证的式子两边可约去。

? 典型操作4：速度的计算

速度应利用“时间中点的瞬时速度等于该时间段平均速度”计算，不能用 和v_n=ngT计算，主要是逻辑上的循环问题。

? 典型操作5：计数周期确定

加速度很大，一般取0.02s。

? 典型操作6：下落距离测定

常在纸带后端选择连续的6个点作为测量点，减小测量误差。

? 典型操作7：研究过程初始位置的选择

一般不选{dy}点作为研究过程的初始位置，因为较难保证打{dy}点时速度为0（存在纸带开始释放时刻与打点时刻是否同步的问题）。

? 典型操作8：纸带的选择

不需要选择{dy}、二点间距接近2mm的纸带。

实验存在的主要误差有空气阻力，纸带阻力引起的误差，长度的测量误差，速度计算的误差。

七、探究碰撞中的不变量

该实验的设计主要围绕速度的测量进行，除利用光电门、打点计时器等方法外，另一类典型的方法是运用转化的方法，把速度的测量转化为其他容易测量的物理量，如相同高度平抛运动的水平位移，{zd0}摆角等等，实验具体方法多样，本义相似。

? 典型操作1：碰撞形式的确定

碰撞形式有物体由静止分离（弹开），能量损失不同的碰撞（弹性和非弹性、xx非弹性-撞针和橡皮泥）。

? 典型操作2：平抛法的斜槽安装

要使斜槽末端的切线水平。

? 典型操作3：两小球的选择

选择直径相同的小球，使之对心碰撞，且入射球质量大于被碰球。

? 典型操作4：同一速度的获得

要求从圆弧轨道同一位置静止释放。

? 典型操作5：抛出点的确定

被碰球和入射球一般是由同一点抛出，但也有相差小球直径D的装置，由重锤线指示。

? 典型操作6：落点的记录与确定

画圆取圆心作为落点；注意竖直方向或水平方向落点不同，其对应意义也不同，可参考09年浙江省参考xx第22-Ⅱ题。

? 典型操作7：摆球法的条件控制

要求摆线长度相同，摆球直径相同，悬挂点间距为小球直径，以保证发生一维碰撞。

? 典型操作8：摆球法的速度测量

通过上摆{zg}位置的记录，测量摆角，获得速度。

? 典型操作9：打点法的条件控制

平衡阻力，方法与其他实验同

? 典型操作10：打点法各状态速度的判断

纸带上点迹特点：碰前先加速后匀速，碰中减速，碰后匀速；点距先增大，后均匀，再减小，{zh1}又均匀。

该实验主要误差有空气阻力带来的误差，落点记录与测量引起的误差，质量测量误差，抛出方向误差，{zd0}摆角测量误差，速度计算误差，碰撞是否在一直线上引起的误差等。

八、探究单摆周期与摆长的关系

该实验是{wy}的一个研究非直线运动的实验，是运用累积法测量微小量（周期T）的典型案例。

? 典型操作1：单摆的组成

选择质量大、体积小的球和轻质、较长（1m左右）和不易伸长的细线组成单摆，以减小空气等阻力，实验要求悬点固定。

? 典型操作2：振幅的控制

摆球摆动应控制在同一竖直平面内，且振幅不要太大(不强调摆角<5°)，满足做简谐运动条件。

? 典型操作3：摆长的测量

摆长就是悬点到摆球球心的距离。可用刻度尺测量细线长度l₀，用游标卡尺测量小球直径D，则摆长l=l₀+D/2，或测出悬点到摆球上沿和下沿的长度l₁、l₂，则l=(l₁+l₂）/2。

? 典型操作4：周期的测量

周期是个微小量，一般采用累积法测量T=t/n，t是n次全振动的时间。

? 典型操作5：计时参考位置选择

以{zd1}位置为计时参考位置，当摆球同方向通过参考位置时开始计数和计时。因为在该位置摆球速度{zd0}，在同样反应时间内位移{zd0}，最容易判断清楚所在位置，误差最小。

? 典型操作6：振动周期的计数

正确理解全振动概念，防止多数或少数全振动数，一般当摆球同方向过{zd1}点时计数。

? 典型操作7：停表/秒表的使用

要求能正确使用停表/秒表，包括正确读数和规范使用，如回零操作，先上发条、让其走段时间再使用、用后需开启等注意事项。

? 典型操作8：游标卡尺的使用

各种规格游标卡尺的正确使用（测长度、内径与外径等）和读数。

? 典型操作9：数据记录表的设计

数据记录表要求包括原始测量数据，如不能仅有摆长，应有细线长度和摆球直径等的测量值。

? 典型操作10：数据的处理

常见方法有公式计算法、T²-l图像法。图像法处理时要关注图线截距、斜率的物理意义，摆长测量时是否准确对结果影响不一样。若摆长依次等量递增，也可以用逐差法计算g值。

该实验主要误差有单摆模型的近似和空气阻力带来的误差，长度、时间等的测量误差，图像法处理实验结果带来的误差等。