【#第一文档网# 导语】以下是®第一文档网的小编为您整理的《力学实验大全》，欢迎阅读！
力学实验大全 1、力是物体之间的相互作用 实验仪器：磁铁、小铁块；细线、钩码(学生用) 教师操作：磁铁吸引铁块。 学生操作：用细线使放在桌上的钩码上升。 实验结论：力是物体对物体的作用。 2、测量力的仪器 实验仪器：弹簧秤(2只) 弹簧秤： (1)构造和原理 弹簧秤测力原理是根据胡克定律，即F拉=F弹=kx，故弹簧秤的刻度是均匀的，构造如图。 (2)保养 ①测力计不能超过弹簧秤的量程。 ②测量前要注意检查弹簧秤是否需要调零，方法是将弹簧秤竖直挂起来，如其指针不指零位，就需要调零，一般是通过移动指针来调零。 ③被测力的方向应与弹簧秤轴线方向一致。 ④读数时应正对平视。 ⑤测量时，除读出弹簧秤上最小刻度所表示的数值外，还要估读一位。 ⑥一次测量时间不宜过久，以免弹性疲乏，损坏弹簧秤。 教师操作：两只弹簧秤钩在一起拉伸，可检验弹簧秤是否已损坏。 3、力的图示 实验仪器：刻度尺、圆规 4、重力的产生及方向 实验仪器：小球、重锤、斜面 教师操作：向上抛出小球，小球总是会落到地面。 教师操作：小球在桌上滚到桌边后总是会落到地面。 实验结论：地球对它附近的一切物体都有力的作用，地球对它周围的物体都有吸引的作用。 教师操作：观察重锤线挂起静止时，线的方向。 教师操作：观察重锤线的方向与水平桌面、斜面是否垂直。 实验结论：重力的方向与水平面垂直且向下，而不是垂直物体表面向下。 5、重力和质量的关系 实验仪器：弹簧秤、钩码(100g×3只) 教师操作：将质量为100g的3只钩码依次挂在弹簧秤上，分别读出它们受到的重力为多少牛，将数据记在表格中，做出相应计算。 质量m(kg) 0.1 0.2 0.3 重力G(N) 重力与质量的比g(N/kg) 实验结论：物体的质量增大几倍，重力也增大几倍，即物体所受的重力跟它的质量成正比，这个比值始终是9.8N/kg。 6、悬挂法测重心 实验仪器：三角板、悬线、不规则形状薄板(人字形梯子、绳子) 教师操作：在A点用线将不规则物体悬挂起来；在B点将不规则物体悬挂起来，两次重锤线的交点即是重心。 (若条件许可，可用梯子、绳子测出人的重心位置。) 7、重心位置会发生改变 实验仪器：100元面值人民币 学生游戏：人民币放于墙附近，学生5～6人，脚跟、屁股不离墙，腿不打弯，谁够到100元就归谁。 游戏结论：没有人能够完成这个动作——重心前移，屁股顶在墙上不能后撤，人会向前倒。 8、显示微小形变 实验仪器：平面镜及支架(2组)、半导体激光光源；装满红色水带细管的玻璃瓶(椭圆柱体型) 教师操作：先沿短轴方向捏压玻璃瓶，细管中水面上升，后沿玻璃瓶长轴方向捏压，细管中水面不但没有上升，反而还下降了。 实验结论：说明玻璃瓶容积改变，发生了形变。 教师操作：激光通过二平面镜的反射，射在白墙上，在桌面加力。 实验结论：反射光向下移动，说明两平面镜向中间倾斜，桌面发生形变。 9、胡克定律——弹力和弹簧伸长的关系(学生实验) 实验仪器：弹簧(不同的多根)、直尺、钩码(一盒)、细绳、定滑轮 实验目的：探索弹力与弹簧伸长的定量关系，并学习所用的科学方法。 实验原理：弹簧受到拉力会伸长，平衡时弹簧产生的弹力和外力大小相等。这样弹力的大小可以通过测定外力而得出(可以用悬挂钩码的方法给弹簧施加拉力)；弹簧的伸长可用直尺测出。多测几组数据，用列表或作图的方法探索出弹力和弹簧伸长的定量关系。 学生操作：(1)用直尺测出弹簧的原长l0. (2)将弹簧一端固定，另一端用细绳连接，细绳跨过定滑轮后，下面挂上钩码，待弹簧平衡后，记录下弹簧的长度及钩码的重量。改变钩码的质量，再读出几组数据。 弹簧原长l0(cm) 钩码重量F(N) 弹簧现长l(cm) 弹簧伸长量x(cm) 1 2 3 4 5 6 7 (3)根据测量数据画出F-x图像。 实验结论：在弹性限度内，弹簧的伸长量与受到的拉力成正比。 10、影响滑动摩擦力的因素 实验仪器：摩擦计(J2109)、弹簧测力计、钩码(一盒) 教师操作：将摩擦板水平放置平稳，摩擦块置于其上，用测力计牵引摩擦块，可测得最大静摩擦力，待匀速拉动后，可测得滑动摩擦力。 教师操作：改变摩擦面和在摩擦块上加砝码重做上边实验。 实验结论：通过实验数据可验证摩擦力与正压力和摩擦系数有关，与摩擦面大小无关。 11、摩擦系数 摩擦计(J2109)、轨道小车(J2108)、钩码(J2106)、砝码、砝码盘、坐标纸、长毛巾、棉布、玻璃板、测力计(J2104) 实验目的：通过实验进一步明确决定滑动摩擦力大小的因素，掌握测定滑动摩擦系数的原理和方法。 实验原理：一个物体在水平面上做匀速直线运动时，物体所受的滑动摩擦力与外界施加的水平拉力是一对平衡力。测出物体所受的水平拉力即可求得水平面对物体的摩擦力，由 f＝μN即可求出物体与水平面间的滑动摩擦系数。 教师操作： (1)将一端装有定滑轮的长木板放在水平桌面上，调节木板成水平状态。 (2)用测力计称出摩擦块所受的重力，将摩擦块放在长木板上，用细线将摩擦块跨过滑轮与砝码盘相连，如图。注意调整滑轮的高度，使线与木板表面平行。 (3)逐渐在砝码盘中加砝码，直到用手推动一下摩擦块后，摩擦块能在木板上做匀速直线运动为止。称出砝码盘和砝码的总重，即求出此时摩擦块所受的摩擦力f(应重复几次求平均值)。摩擦块对木板的压力N等于摩擦块所受的重力。 (4)依次在摩擦块上加50克、100克、150克、200克、250克钩码，即改变摩擦块对木板的压力N，重复以上实验可发现摩擦块所受的摩擦力变大。分别记下摩擦块所受的摩擦力f1，f2，f3，……，将以上结果填入下面的表格中。 实验次数 1 压力FN(N) 摩擦力f(N) 1 2 3 1 2 2 3 1 3 2 3 1 4 2 3 1 5 2 3 平均值 平均值 平均值 平均值 平均值 (5)以滑动摩擦力f为纵坐标，压力N为横坐标，在坐标纸上描出滑动摩擦力与正压力之间的关系图象(图象应为过原点的直线)。 (6)求出图象的斜率k＝tga，此即摩擦块与木板之间的滑动摩擦系数μ。 (7)在长木板上依次铺上长毛巾、棉布、玻璃板，重复以上实验方法(3)，确定在压力相同的情况下，摩擦块所受滑动摩擦力与接触材料表面情况之间的关系。 (8)在以上实验中，将摩擦块由平放改为侧放，即改变摩擦块与木板接触面积的大小，测出相应的滑动摩擦力，观测在压力和接触面情况相同的条件下，滑动摩擦力的大小与接触面积有无关系。测定时每次都应使拉线与水平木板表面平行。 12、滑动摩擦力与滚动摩擦力比较 实验仪器：带轴的滚轮、摩擦板、弹簧测力计 教师操作：将摩擦板水平放置平稳，固定滚轮不让滚动，置于摩擦板上，用测力计牵引滚轮，待匀速拉动后，可测得滑动摩擦力；取消固定让滚轮滚动，待匀速拉动后，可测得滚动摩擦力。 实验结论：通过比较数据，可验证滚动摩擦力远远小于滑动摩擦力。 13、共点力的合成与分解 实验仪器：力的合成分解演示器(J2152)、钩码(一盒)、平行四边形演示器 教师操作：把演示器按事先选定的分力夹角和分力大小，调整位置和选配钩码个数；把汇力环上部连接的测力计由引力器拉引来调节角度，并还要调节拉引力距离，使汇力环悬空，目测与坐标盘同心；改变分力夹角，重做上边实验。 实验结论：此时测力计的读数就是合力的大小；分力夹角越小合力越大，分力夹角趋于180度时合力趋近零。 力的合成分解演示器： 教师操作：用平行四边形演示器O点孔套在坐标盘中心杆上，调整平行四边形重合实验所形成四边形，用紧固螺帽压紧，学生可直观的在演示器上看出矢量作图。 14、验证力的平行四边形定则(学生实验) 实验仪器：方木板、白纸、橡皮筋、细绳套2根、平板测力计2只、刻度尺、量角器、铅笔、图钉3-5个 实验目的：验证互成角度的两个共点力合成的平行四边形定则。 实验原理：一个力F的作用效果与两个共点力F1和F2的共点作用效果都是把橡皮筋拉伸到某点，所以F为F1和F2的合力。做出F的图示，再根据平行四边形定则做出F1和F2的合力Fˊ的图示，比较Fˊ和F是否大小相等，方向相同。 学生操作： (1)白纸用图钉固定在方木板上；橡皮筋一端用图钉固定在白纸上，另一端拴上两根细绳套。 (2)用两只测力计沿不同方向拉细绳套，记下橡皮筋伸长到的位置O，两只测力计的方向及读数F1、F2，做出两个力的图示，以两个力为临边做平行四边形，对角线即为理论上的合力Fˊ，量出它的大小。 (3)只用一只测力计钩住细绳套，将橡皮筋拉到O，记下测力计方向及读数F，做出它的图示。 (4)比较Fˊ与F的大小与方向。 (5)改变两个力F1、F2的大小和夹角，重复实验两次。 实验结论：在误差允许范围内，证明了平行四边形定则成立。 注意事项： (1)同一实验中的两只弹簧测力计的选取方法是：将两只弹簧测力计钩好后对拉，若两只弹簧测力计在拉的过程中读数相同，则可选，若不同，应另换，直到相同为止；使用时弹簧测力计与板面平行。 (2)在满足合力不超过弹簧测力计量程及橡皮筋形变不超过弹性限度的条件下，应使拉力尽量大一些，以减小误差。 (3)画力的图示时，应选定恰当的标度，尽量使图画得大一些，但也不要太大而画出纸外；要严格按力的图示要求和几何作图法作图。 (4)在同一次实验中，橡皮筋拉长后的节点O位置一定要相同。 (5)由作图法得到的F和实验测量得到的Fˊ不可能完全符合，但在误差允许范围内可认为是F和Fˊ符合即可。 误差分析： (1)本实验误差的主要来源——弹簧秤本身的误差、读数误差、作图误差。 (2)减小误差的方法——读数时眼睛一定要正视，要按有效数字正确读数和记录，两个力的对边一定要平行；两个分力F1、F2间夹角θ越大，用平行四边形作图得出的合力Fˊ的误差ΔF也越大，所以实验中不要把θ取得太大。 15、研究有固定转动轴物体的平衡条件 实验仪器：力矩盘(J2124型)、方座支架(J1102型)、钩码(J2106M)、杠杆(J2119型)、测力计(J2104型)、三角板、直别针若干 实验目的：通过实验研究有固定转动轴的物体在外力作用下平衡的条件，进一步明确力矩的概念。 教师操作： (1)将力矩盘和一横杆安装在支架上，使盘可绕水平轴自由灵活地转动，调节盘面使其在竖直平面内。在盘面上贴一张白纸。 (2)取四根直别针，将四根细线固定在盘面上，固定的位置可任意选定，但相互间距离不可取得太小。 (3)在三根细绳的末端挂上不同质量的钩码，第四根细绳挂上测力计，测力计的另一端挂在横杆上，使它对盘的拉力斜向上方。持力矩盘静止后，在白纸上标出各悬线的悬点(即直别针的位置)和悬线的方向，即作用在力矩盘上各力的作用点和方向。标出力矩盘轴心的位置。 (4)取下白纸，量出各力的力臂L的长度，将各力的大小F与对应的力臂值记在下面表格内(填写时应注明力矩M的正、负号，顺时针方向的力矩为负，反时针方向的力矩为正)。 (5)改变各力的作用点和大小，重复以上的实验。 次数 F(N) 1 2 3 注意事项： L(m) M(N·m) ΣM(N·m) (1)实验时不应使力矩盘向后仰，否则悬线要与盘的下边沿发生摩擦，增大实验误差。为使力矩盘能灵活转动，必要时可在轴上加少许润滑油。 (2)测力计的拉力不能向下，否则将会由于测力计本身所受的重力而产生误差。测力计如果处于水平，弹簧和秤壳之间的摩擦也会影响结果。 (3)有的力矩盘上画有一组同心圆，须注意只有受力方向与悬点所在的圆周相切时，圆半径才等于力臂的大小。一般情况下，力臂只能通过从转轴到力的作用线的垂直距离来测量。 16、共点力作用下物体的平衡 实验仪器：方木板、白纸、图钉、橡皮条、测力计3个(J2104型)、细线、直尺和三角板、小铁环(直径为5毫米的螺母即可) 实验目的：通过实验掌握利用力的平行四边形定则解决共点力的平衡条件等问题的方法，从而加深对共点力的平衡条件的认识。 教师操作： (1)将方木板平放在桌上，用图钉将白纸钉在板上。三条细线将三个测力计的挂钩系在小铁环上。 (2)将小铁环放在方木板上，固定一个测力计，沿两个不同的方向拉另外两个测力计。平衡后，读出测力计上拉力的大小F1、F2、F3，并在纸上按一定的标度，用有向线段画出三个力F1、F2、F3。把这三个有向线段廷长，其延长线交于一点，说明这三个力是共点力。 (3)去掉测力计和小铁环。沿力的作用线方向移动三个有向线段，使其始端交于一点O，按平行四边形定则求出F1和F2的合力F12。比较F12和F3，在实验误差范围内它们的大小相等、方向相反，是一对平衡力，即它们的合力为零。由此可以得出F1、F2、F3的合力为零是物体平衡的条件，如果有更多的测力计，可以用细线将几个测力计与小铁环相连，照步骤2、3那样，画出这些作用在小铁环上的力F1、F2、F3、F4……，它们仍是共点力，其合力仍为零，从而得出多个共点力作用下物体的平衡条件也是合力等于零。 注意事项： (1)实验中所说的共点力是在同一平面内的，所以实验时应使各个力都与木板平行，且与木板的距离相等。 (2)实验中方木板应处于水平位置，避免重力的影响，否则实验的误差会增大。 描述运动的基本概念 匀速运动 1、时间与时刻 实验仪器：作息时间表、停表、电磁打点计时器、电火花打点计时器 停表(秒表)： (1)构造 ①外壳按钮——使指针启动、停止和回零。 ②表盘刻度——如图所示，长针是秒针指示大圆周的刻度，其最小分度一般是0.1s，秒针转一圈是30s；短针是分针，只是小圆圈的刻度，其最小分度值常见为0.5min。 (2)使用方法 首先要上好发条，它上端的按钮用来开启和止动秒表。 (3)读数方法 所测时间超过0.5min时，0.5min的整数倍部分由分针读出，不足0.5min的部分由秒针读出，总时间为两针示数之和。 (4)注意事项 ①检查秒表零点是否准确。如不准，应记下其读数，并对读数作修正。 ②实验中切勿碰摔秒表，以免震坏。 ③实验完毕，应让秒表继续走动，使发条完全放松。 ④对秒表读数时一般不估读，因为机械表采用的齿轮传动，指针不可能停在两小格之间，所以不能估读出比最小刻度更短的时间。 电磁打点计时器： (1)调节和固定 电磁打点计时器使用时应先固定。它的底座上有两条凹槽，可用台夹将它固定在实验桌的边沿或斜面的一端，注意使纸带的中心线位于物体的运动方向上或与斜面另一端的定滑轮凹糟的方向一致。如果单独使用打点计时器，也可用台夹将它固定在铁支架的支杆上。 把打点计时器接入50赫6伏的正弦交流电源(J1202型或J1202－1型学生电源，打点计时器在4～6伏范围内能正常工作)，让打点计时器开始工作，观察振动片的振动是否均匀。如果振动不均匀，可调节振动片的调节螺母，直到打点均匀有力，声音清晰、不拖尾巴。表示打点计时器已能正常工作。然后关闭电源。 给打点计时器装上复写纸片，移动复写纸的转轴，使复写纸压入压纸框架下。从纸带限位孔穿入纸带，经复写纸下从另一限位孔穿出。 接上电源，使打点针工作，调节打点针的高低，以刚好能在纸上打出点为准，尽量减少打点针与打点纸带的接触时间。 (2)构造和原理 J0203型电磁打点计时器为磁电式结构，其构造如图。当线圈通以50赫的交流电时，线圈产生的交变磁场使振动片(由弹簧钢制成)磁化，振动片的一端位于永久磁铁的磁场中。由于振动片的磁极随着电流方向的改变而不断变化，在永久磁铁的磁场作用下，振动片将上下振动，其振动周期与线圈中的电流变化周期一致，即为0.02秒。图为半个周期时的情况。 振动片的一端装有打点针，当纸带从针尖下通过时。便打上一系列点，相邻点之间对应的时间为0.02秒。5个间距对应的时间为0.10秒。 (3)频率检查 打点计时器的计时精度主要由振动片的振动频率所决定。由于振动、碰撞等原因可能使打点频率偏离正常范围(包括出现频率偏移和频率不稳等现象)，影响它的正常工作。实验前可检查其频率是否正常。这里介绍用示波器检查打点频率的方法。 将打点计时器的线圈接入6伏交流电源，振动片接示波器的“y输入”(不能使用旋松紧固螺钉或夹在振动片上的方法连结，可用导线绕在振动片的固定螺钉上，避免影响振动频率)，限位板接示波器的“接地”端，如图。当打点针与限位板不接触时，示波器y输入上就有一个感应交流电压的正弦信号输入；当打点针与限位板接触时，y输入电压为零，因此在正弦波上留下一个缺口。若打点器的振动频率稳定，打点针与限位板碰击的时机相同，则正弦波上的缺口位置始终一致；若打点器的振动不稳定，打点针与限位板碰击时机不等，各次缺口出现的位置不同，由于视觉暂留的作用，正弦波看来就会有两个缺口，这时打点纸带上会出现重复性的“双点”。仔细调节振动片的固定螺钉，直到示波器显示的正弦波只出现一个缺口，打点器的振动频率就核准好了。 (4)造成打点计时器频率不稳或出现“双点”的原因及解决办法 ①当振动片的固有频率与电源频率(50赫)相一致时，振动片便产生与电源频率同步的振动，即发生共振，此时打点周期与电源周期一致。若振动片的固有频率偏离工作电源频率，就会出现打点周期不稳的情形。振动片的固有周期主要由它的长度决定。所以可通过调节振动片的长度来调整它的固有周期。松开振动片的固定螺钉，逐步改变振动片的长度，并观察振动片的振幅，当振幅最大时，表明振动片的固有频率与电源频率一致。 ②振动片在线圈框架中的位置及在磁铁之间的位置都必须位于正中间，否则会出现打点周期不稳的现象。如发现振动片周期不稳，可松开振动片的紧固螺钉，改变垫片的厚度，使振动片位于正中间。 电火花打点计时器： 电火花计时器的外形如图所示，它可以代替电磁打点计时器使用，也可以与简易电火花描迹仪配套使用。 使用时电源插头直接插在交流220伏插座内，将裁成圆片(直径约38毫米)的墨粉纸盘的中心孔套在纸盘轴上，将剪切整齐的两条普通有光白纸带(20×700mm2)从弹性卡和纸盘轴之间的限位槽中穿过，并且要让墨粉纸盘夹在两条纸带之间，这样当两条纸带运动时，也能带动墨粉纸盘运动，当按下脉冲输出开关时，放电火花不至于始终在墨粉纸盘的同一位置而影响到点迹的清晰度。也可以用上述尺寸的白纸带和墨粉纸带(位于下面)做实验，例如在简易电火花描迹仪的导轨上就是这样放置的。还可以用两条白纸带夹着一条墨粉纸带做实验；用电火花计时器做测量自由落体的加速度实验就是这样做的。墨粉纸可以使用比较长的时间，一条白纸带也可以使用4次，从而降低了实验成本。 电火花计时器使用中运动阻力极小(这种极小阻力来自于纸带运动的本身，而不是打点产生的)，因而系统误差小，记时精度与交流电源频率的稳定程度一致(脉冲周期漂移不大于50微秒，这一方面也远优于电磁打点计时器)，同时它的操作简易，学生使用安全可靠(脉冲放电电流平均值不大于500微安)。 2.平均速度与瞬时速度 实验仪器：数字计时器(J0201-CC)、气垫导轨(J2125)、小型气源(J2126)、水平尺、滑快、挡光片 气垫导轨： (1)构造 气垫导轨是一种现代化的力学实验仪器。它利用小型气源将压缩空气送入导轨内腔。空气再由导轨表面上的小孔中喷出，在导轨表面与滑行器内表面之间形成很薄的气垫层。滑行器就浮在气垫层上，与轨面脱离接触，因而能在轨面上做近似无阻力的直线运动，极大地减小了以往在力学实验中由于摩擦力引起的误差。使实验结果接近理论值。配用数字计时器或高压电火花计时器记录滑行器在气轨上运动的时间，可以对多种力学物理量进行测定，对力学定律进行验证。 气垫导轨按其直线度是否可调分为普通式(不可调式)和可调式两种型式。该产品以轨面长度为主参数。主参数系列有800毫米、1200毫米、1500毫米和2000毫米四种，前两种规格适合中学物理实验使用。气垫导轨还可以按照其所需的工作压强和滑行器质量分为高气压、重滑行器及低气压、轻滑行器两类。前者性能好，但价格略高，后者性能稍差，价格较低。 上图中画的气轨为1200毫米、高气压可调式气轨。 上图J2125型气垫导轨，它是低气压；轻滑行器、直线度不可调式气轨。 上图为J2125－1型气垫导轨，它是另一种高气压、重滑行器、直线度可调式气垫导轨。 上图为J2125－2型气垫导轨，它是高气压、重滑行器、直线度不可调式气垫导轨。 气垫导轨实 验中的运动物体为滑行器(又称滑块)，右图为L－QG－T－1200/5.8型气垫导轨的滑行器。滑行器上部有五条“T”形槽，可用螺钉和螺帽方便地在槽上固定各种附件。下面的两条“T”形槽的中心正好通过滑行器的质心，在这两条槽的两端安装碰撞器或挂钩，可使滑行器在运动过程中所受外力通过质心。在这两条槽的中部加装配重块后滑行器的质心不会改变高度。 (2)保养 ①气垫导轨是一种精度较高的现代教学仪器。轨道面的直线度，粗糙度，滑行器内角及表面的平面度都有较高要求，切忌振动、重压。严防碰伤和划伤。不允许在不通气的情况下将滑行器在轨面上滑磨。 ②实验前一定要检查气孔是否通畅，如有小孔被堵塞，滑行器运动到该处就会受到影响，甚至会停住不动。如有小孔被堵塞，应该用细钢丝(直径小于0.5毫米)捅开。 ③滑行器的运动速度不宜过低，否则当外界因素变化时(如室内气流量不稳、压力不均时，会影响滑行器的运动)。一般来说，滑行器的运动速度应大于50厘米/秒。 ④导轨使用时应安放在结实、牢固的实验台上。如实验台单薄会影响导轨调水平。如欲使导轨成斜面、可在调平螺钉下面加定高垫块。 ⑤导轨应放于清洁干燥的环境中，长期不用应用塑料套遮盖，防止灰尘。 (3)调平 气轨在使用前应调节轨面成水平。因为轨面不水平会使滑行器所受的重力产生与导轨长度方向平行的分力，由于滑行器是“飘浮”在气垫上的，任何微小的分力都会给滑行器以附加的加速度，因而增加实验的误差。气轨的调平可按下列两种方法之一进行。 ①静态调平法 气垫导轨的调平螺钉一般是按等腰三角形的三个顶点分布的。先调节位于三角形底边两端的调平螺钉，使轨面在与长度垂直方向上达到目视水平。然后向导轨通气，将滑行器轻放在轨面上，调节位于三角形顶点位置的螺钉，使滑行器在将要进行实验的运动范围内停住不动或无明显移动，则可认为轨面已经调平。注意在即将调平时要以很小的角度旋转调平螺钉，以免调节过量。 ②动态调平法 将两个光电门按实验需要拉开一段距离安装在导轨上，使其指针对准导轨上标尺刻度。把光电门线两端的四芯插头分别插入光电门架和计时器面板上的四芯插座中，将两光电门和计时器连通。开启计时器电源，使计时器能正常工作：将计时方式置于“计时Ⅰ”，用手在光电门处遮一下光，计时器能计下遮光时间即为正常；将计时器计时方式置于“计时Ⅱ”，用手在任一光电门处遮一下光，再在另一光电门处遮一下光，计时器能计下两次遮光的时间间隔为工作正常。计时器的时标定为不大于1毫秒。 在滑行器中部安装挡光片，接通气源，将滑行器轻放在轨面上，使其运动起来。调整光电门的位置，使其能被挡光片有效遮光，又不妨碍滑行器运动。置计时器为“计时Ⅱ”计时方式。让滑行器从导轨一端向另一端运动，挡光片顺序通过两个光电门。计时器分别计下挡光片通过两个光电门的时间。调节处于三角形顶点位置的调平螺钉，使计时器计下的两次计时值基本相等，使滑行器从另一端向相反方向运动，计时器的两次计时值也基本相等，即可认为轨面已调平。 (4)滑块质心的调整 气垫导轨的气垫对滑行器有一定的“浮力”。这一力的方向向上并且过滑行器的几何中心。一般情况下滑行器的质心也在其几何中心。 所以，在轨面水平的条件下，滑行器应能浮在轨面上不沿轨面左右移动。但在使用气轨做实验时要在滑行器上安装挡光片等附件。如果不注意，就改变了质心位置，破坏滑行器所受重力与浮力的平衡，浮力中心会离开质心一段距离。浮力会产生以质心为轴的力矩，使滑行器在竖直平面内转动一个小的角度，形成了使滑行器沿轨面移动的分力。 这时即使轨面已经水平，滑行器仍不能浮在轨面上不动。这时请沿长度方向移动滑行器上所安附件的位置，使装上附件后滑行器的质心与没装附件时滑行器的质心尽量重合。装好附件的滑行器也应能浮在轨面上不动。 数字计时器： (1)构造 数字计时器和光电门一起组成气垫导轨的计时装置。光电门的外形如图。它由发光器件(聚光灯泡或红外发光二极管)和光敏器件(光敏二极管或光敏三极管)组成。通常使光敏器件处于亮(被光照)状态，在暗(光被遮)状态时向数字计时器进出脉冲讯号，触发数字计时器计时或停计。 J0201－1型数字计时器如图。 计时器上的输入插口Ⅰ和Ⅱ分别与两个光电门相连接。计时开关扳向“1ms”挡时数码管显示计时值单位为毫秒，计时量程0－0.999秒；该开关扳向“10ms”挡时，量程为0～0.09秒。复位键又称清零键。用以清除上一次计数或计时的示数。 (2)J0201-CC型数字计时器工作状态 ①“C”——计数 用当光片对任意一个光电门遮光一次，屏幕显示即累加一次。 ②“S1”——遮光计时 当采用计时S1时，任一光电门遮光时开始计时，遮光结束(露光)停止计时，屏幕依次显示出遮光次数和遮光时间。即图甲中挡光条通过光电门的时间。可连续作1～255次时间，但只存储前10个数据。 ③“S2”——间隔时间 当采用计时S2时，任一光电门第一次遮光时开始计时。第二次遮光时停止计时，屏幕依次显示出挡光间隔和挡光间隔的时间，即图乙中两个挡光条先后通过两个光电门之间的时间间隔或挡光片的两个边M、N通过一个光电门所用的时间。可连续作1～255次实验，只存储前10个数据。 ④“T”——测振子周期 用弹簧振子或单摆振子配合一个光电门和一个挡光片做实验。“停止”计时后，屏幕依次显示n个振动周期和1个n次振动时间的总和。 ⑤“a”——加速度 配合气垫导轨、挡光框、两个光电门作运动体的加速度试验。运动体上的挡光框通过两个光电门之后自动进入循环显示——挡光框通过第一个光电门的时间；挡光框通过第一个光电门至第二个光电门之间的间隔时间；挡光框通过第二个光电门的时间；挡光框通过第一个光电门的速度；挡光框通过第二个光电门的速度；挡光框通过第一个光电门至第二个光电门之间的运动加速度。 ⑥“g”——测重力加速度 ⑦“Col”——完全弹性碰撞实验 ⑧“Sgl”——时标输出 (3)保养 ①实验前应先调整发光器件和光敏器件的相对位置。如果二者没有对准，数字计时器在“S1”计时方式下数码管会不停地翻动、不能计时。使发光器件的光束对准光敏器件、计时器的数码管就不会再翻动。手动“复位”后显示“0”，即可开始遮光计时。 ②数字计时器应按电子仪器常规保养。维修时严禁带电焊接，焊接时要将电烙铁断掉电源，用余热焊接。 小型气源： (1)构造 小型气源为气垫导轨提供一定流量和压强的空气。 它由过滤器、离心式风机、电动机、波纹管、滤清器、减震弹簧等组成。工作时，电动机带动离心式风机旋转，空气从气源的进气口进入过滤器，进入风机后被压缩成较高压强的气体，经过波纹管(能减少压缩空气噪声)后进入滤清器，清除空气中的碳粉；(这些碳粉是电动机的碳刷产生的)，然后从气源的出气口经过塑料蛇形软管进入气垫导轨的型腔中。减震弹簧能减少机械震动产生的噪声。 国内已能生产大流量、高风压、无碳粉的低噪声气源，由于仍然使用整流子电机，气源使用一段时间后，需要取出滤清器，更换其中的泡沫塑料。 (2)保养 ①为保持进入气源的空气干净清洁，实验时不要将气源放在地上。为了不使气源的振动影响滑行器的运动，也不要把气源与气轨放在同一实验台上。 ②气源连续使用一般不超过90分钟。 ③气源要与导轨配套。高压重滑行器的气轨要用高压气源(压强4－6千帕)，低压轻滑行器的气轨用低压气源(压强约0.3千帕)。 ④使用以串激整流子电机为动力的气源，要定期更换碳刷。 教师操作：气垫导轨保持水平(水平尺处于中心位置)；数字计时器选择S2；用一只光电门；用不同的挡光片(100mm，50mm，30mm)演示平均速度；当挡光片宽度越来越小时，平均速度趋近于瞬时速度。 3、匀速直线运动 实验仪器：数字计时器(J0201-CC)、气垫导轨(J2125)、小型气源(J2126)、水平尺、滑快、挡光片(30mm) 教师操作：数字计时器选择S2；气垫导轨保持水平；使用两只光电门；用手轻推滑块，比较两个光电门示数；根据v= 计算速度，比较结果。 挡光片S 30mm 光电门1 t1 v1 光电门2 t2 v2 3.匀变速直线运动 加速度 实验仪器：数字计时器(J0201-CC)、气垫导轨(J2125)、小型气源(J2126)、滑快、挡光片(30mm) 教师操作： (1)使导轨呈倾斜状(通过调节调平螺丝使右端略高于左端，使两光电门之间的距离约30厘米。接好计时器。计时器用S2挡。 (2)接通计时器电源，把滑行器(已插上挡光条)放在导轨上靠近右边光电门处，接通气源电源，自由释放滑行器。在滑行器撞击到缓冲弹簧时立即关闭气源。记下滑行器在两光电门间运动的时间和两光电门之间的距离。记入记录表中。使计时器置零。 (3)移动左边光电门门架改变计时距离(改变10厘米左右即可)，重复步骤(2)。如此继续，多取几组S、t数据，直至左边光电门过于接近缓冲弹簧，不便于计时为止。 (4)根据所测S、t值，计算 的值在实验误差范围内是否为恒量。若是，则可求出其加速度的平均值。 研究匀变速直线运动 实验仪器：数字计时器(J0201-CC)、气垫导轨(J2125)、小型气源(J2126)、滑快、挡光片(30mm) 实验目的：用气垫导轨比较精确地测定匀变速直线运动的即时速度和加速度。 实验原理： 物体(质点)过某点的即时速度等于物体经该点时足够小的位移(或足够小的时间)内的平均速度的极限值。实验中位移ΔS在可能条件下尽量取小。测出通过ΔS所用的时间Δt，则所求得的平均速度 就可认为近似等于过该点的即时速度。 若实验测得物体在匀变速直线运动中通过某两点时的即时速度，再测得物体通过两点所用的时间t可以用公式a＝ 求得其加速度。 教师操作： (1)使气垫导轨倾斜约1°以下。两光电门分别放在位置A和A1处，如图。滑行器置于A的右边，并在其上插上挡光片。把光电门接在计时器上。计时器拨到“计时Ⅱ”(S2)挡。接通计时器电源。 (2)使小型气源工作，给导轨通气。让滑行器自由下滑。从计时器上读出滑行器经过AA1的时间Δt1，在标尺上读出AA1之间的距离ΔS1，求出滑行器在AA1这段位移中的平均速度. (3)把A1处的光电门移到A2，A3……，重复步骤2，分别测出对应的平均速度 ……实验时要注意每次都使滑行器从同一位置自由滑下。 (4)分析所得的实验数据可发现，平均速度随位移减小而减小并趋向某一极限(下表中数据仅供参考)。 (5)为了近似求得此平均速度的极限值，可将计时器拨在“计时Ⅰ”挡，让滑行器从上面实验中同一位置自由滑下通过A点，测出挡光条通过A点的时间ΔtA。挡光条的有效宽度， ΔSA=30mm(即L有)，则可求得滑行器在挡光条遮光时间内运动的平均速度。它是在我们的装置中可能取到的过A点的最小位移内的平均速度，可近似认为是过A点时的平均速度的极限值，它接近滑行器过A点时的即时速度，见下表中最后一栏。 Δs(m) Δt(s) V瞬时(m/s) 0.414 2.56 0.162 0.260 1.78 0.146 0.109 0.86 0.127 0.057 0.48 0.120 0.0136 0.12 0.113 (6)让一个光电门仍置于A处，另一光电门重新移回A1处。重复步骤(5)的操作。但此时要注意记下挡光条通过A的时间tA以及通过A和A1的总时间t，可得挡光条通过A1的时间t1＝t－tA。根据挡光条的有效遮光宽度ΔSA，分别求出滑行器通过A及A1时的即时速度VA＝ 和VA1＝ 。利用步骤(2)所测得的时间Δt1，可求得a＝ 。 测定匀变速直线运动的加速度(学生实验) 实验仪器：打点计时器、交流电源(电火花打点计时器—220V，电磁打点计时器—4～6V)、纸带、小车、轨道、细绳、钩码、刻度尺、导线 实验目的： (1)掌握判断物体是否作匀变速直线运动的方法。 (2)测定匀变速直线运动的加速度。 纸带处理： (1)“位移差”法判断运动情况，设相邻点之间的位移分别为s1、s2、s3…… (A)若s2-s1=s3-s2=……=sn-sn-1=0，则物体做匀速直线运动。 (B)若s2-s1=s3-s2=……=sn-sn-1=Δs≠0，则物体做匀变速直线运动。 (2)“逐差法”求加速度 a1= ，a2= ，a3= ， 然后取平均值，即a= 。 (3)“平均速度法”求速度 vn= 。 (4)“图像法”求加速度 由vn= ，求出无数个点的速度，画出v-t图像，直线的斜率即加速度。 学生操作： (1)把附有滑轮的轨道放在实验桌上，并使滑轮伸出桌面，把打点计时器固定在轨道没有滑轮一端，连接好电路；再把细绳拴在小车上，细绳跨过滑轮，下边挂上合适的钩码；把纸带穿过打点计时器，并把它的一端固定在小车的后面(若是电火花打点计时器，用两个纸带分别从上下两边穿过墨粉纸盘)。 (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)从三条纸袋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，并把每打五个点的时间作为时间的单位，即T=0.02×5=0.1s，在选好的开始点下面记作0，第六点作为计数点1，依次标出计数点2、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……s6。 (4)求出a的平均值，它就是小车做匀变速直线运动的加速度。 注意事项： (1)要在钩码落地处放置软垫，防止撞坏钩码。 (2)小车的加速度宜适当大些，可以减小长度的测量误差，加速度大小以能在约50cm的纸带上清楚的取出7-8个计数点为宜。 (3)纸带运动时不要让纸带与打点计时器的限位孔摩擦。 (4)不要分段测量各段位移，应尽可能的一次测量完毕(可先统一量出到记数起点0之间的距离)。 自由落体运动 竖直上抛运动 1、阻力很小时不同物体同时下落 实验仪器：旋片式真空抽气泵(XZ)、牛顿管 教师演示：用抽气泵把牛顿管内空气抽出不同程度，观察铝片与羽毛的下落快慢。 实验结论：空气阻力很小时(接近于真空)，铝片与羽毛同时下落。 2、测重力加速度(1) 实验仪器：铁架台、铁质小球(直径2－2.5厘米)、数字计时器(J0201－CC)、光电门2个、米尺、学生电源、电磁铁 教师操作： (1)按图将光电门A、B和电磁铁安装在铁架台上，调整它们的位置使三者在一条竖直线内。当电磁铁断电释放小球后，小球能顺利通过两个光电门 (2)将数字计时器通电并调整光电门，当光电门A光路被瞬间切断时，即开始计时；当光电门B的光路被瞬间切断时，则停止计时。再接通电磁铁电源吸住小球，开始实验。切断电磁铁电源，小球落下。此时计时器显示的时间即为小球做自由落体运动通过两光电门A、B的时间Δt，实验连续做三次，然后取平均值。 (3)用米尺测出从小球开始下落的位置到两个光电门中心的距离h1、h2，由公式h1= gt12和h2= gt22， 得Δt=t2-t1= - = ( - ) Δt2= ( - )2，g= 由此就可算出所测的重力加速度。 注意事项： (1)用电磁铁释放小球的缺点是，当切断电流后，电磁铁的磁性消失需要一时间，铁球与电磁铁铁心可能有一些剩磁，都会使下落时间较实际值大，引起误差。因此，上面介绍的方法是测定小球通过两光电门之间距离所用的时间。避免了测定小球开始下落的时刻，这样就消除了上述误差。 (2)测量小球从开始下落的位置到两个光电门中心的距离h1、h2，应该是从小球下部球表面到两个光电门中心的距离。而不是小球中心到光电门中心的距离，因为光电门在小球下表面隔断光线时就立即开始计时。为了提高精度，光电门的光束应该调得较细，并适当增大两光电门A、B间的距离，使时间测量的相对误差减小。 3、测重力加速度(2) 实验仪器：铁架台、电磁打点计时器(J0203型)、米尺、重锤、夹子、学生电源 教师操作：(1)将铁架台放于水平桌的边沿，打点计时器固定于支架的下端并位于竖直平面内。支架底座上放一重物以保持支架的稳定。打点纸带上端穿过计时器的限位孔，并用夹子固定起来，下端通过夹子悬挂一重锤。 (2)接上电源，闭合开关。待打点计时器工作稳定后，放开上面的夹子让重锤带着纸带自由下落。这时计时器在纸带上打下了一系列点。重复实验，可得几条打点纸带。 (3)在纸带上选取5－6个点，分别求出打点计时器在打这几个点时，重锤下落的速度及对应的时刻，把乘出的结果在坐标纸上以t为横坐标，以v为纵坐标，画出各点。再根据这些点画直线，直线的斜率即为利用该纸带测出的重力加速度的值。然后利用另外几条纸带分别求出重力加速度的值，最后求出这些重力加速度值的平均值，即为该地区的重力加速度值。 牛顿第一定律 牛顿第三定律 1、惯性(1) 实验仪器：气垫导轨(J2125)、小型气源(J2126)、水平尺、滑块、挡光片 教师操作：气垫导轨保持水平；用手轻推滑块，手离开滑块后，合外力为零，滑块维持匀速直线运动状态。 2、惯性(2) 实验仪器：木块、小车 教师操作：突然使小车向前运动，小车上的木块向后倒。 3、惯性(3)——判断生蛋和熟蛋 实验仪器：生鸡蛋、熟鸡蛋、细绳2根 学生游戏：不敲碎蛋壳来判别一个蛋的生熟，你该怎么办呢？ 这儿问题的关键就在生蛋和熟蛋的旋转情形不一样。这一点就可以用来解决我们的问题。把要判别的蛋放到一只平底盘上，用两只手指使它旋转。这个蛋如果是煮熟的(特别是煮得很“老”的)，那么它旋转起来就会比生蛋快得多，而且转得时间久。生蛋呢，却甚至转动不起来。而煮得“老”的熟蛋，旋转起来快得使你只看到一片白影，它甚至能够自动在它尖的一端上竖立起来。 这两个现象的原因是，熟透的蛋已经变成一个实心的整体，生蛋却因为它内部液态的蛋黄、蛋白，不能够立刻旋转起来，它的惯性作用就阻碍了蛋壳的旋转；蛋白和蛋黄在这里是起着“刹车”的作用。 生蛋和熟蛋在旋转停止的时候情形也不一样。一个旋转着的熟蛋，只要你用手一捏，就会立刻停止下来，但是生蛋虽然在你手碰到的时候停止了，如果你立刻把手放开，它还要继续略略转动。这仍然是方才说的那个惯性作用在作怪，蛋壳虽然给阻止了，内部的蛋黄、蛋白却仍旧在继续旋转；至于熟蛋，它里面的蛋黄、蛋白是跟外面的蛋壳同时停止的。 这类实验，还可以用另外一种方法来进行。把生蛋和熟蛋各用橡皮圈沿它的“子午线”箍紧，各挂在一条同样的线上。把这两条线各扭转相同的次数以后，一同放开，你立刻就会看到生蛋跟熟蛋的分别：熟蛋在转回到它的原来位置以后，就因为惯性作用向反方向扭转过去，然后又退转回来──这样扭转几次，每次的转数逐渐减少。但是生蛋却只来回扭转三四次，熟蛋没有停止它就早停下来了：这是因为生蛋的蛋白、蛋黄妨碍了它的旋转运动的缘故。 4、弹力的相互性 实验仪器：气垫导轨(J2125)、小型气源(J2126)、水平尺、弹簧圈2只、滑块2只 教师操作：气垫导轨保持水平；两只滑块相向运动，碰撞瞬间观察两只弹簧圈变化。 5、摩擦力的相互作用 实验仪器：三合板、遥控玩具电动小车、玻璃棒 教师操作：在桌面上并排放上一些圆杆，可用静电中的玻璃棒.在棒上铺一块三合板，板上放一辆遥控电动玩具小车.用遥控器控制小车向前运动时，板向后运动；当车向后运动时板向前运动。 6、静电力的相互作用 实验仪器：轻小球2个、毛皮、橡胶棒、丝绸、玻璃棒、细线2根 教师操作：用细线拴两个小球，当两个小球带同种电荷时，相互推斥而远离；当带异种电荷时，相互吸引而靠近。 7、磁场力的相互作用 实验仪器：小车2个、条形磁铁2个 教师操作：在两辆小车上各固定一根条形磁铁，当磁铁的同名磁极靠近时，放开小车，两车被推开；当异名磁极接近时，两辆小车被吸拢。 8、拉力的相互作用 实验仪器：小车(2个)、绳子 学生体验：把两辆能站人的小车放在地面上，小车上各站一个学生，每个学生拿着绳子的一端。当一个学生用力拉绳时，两辆小车同时向中间移动。 实验结论： ①相互性：两个物体间力的作用是相互的。施力物体和受力物体对两个力来说是互换的，分别把这两个力叫做作用力和反作用力。 ②同时性：作用力消失，反作用力立即消失。没有作用就没有反作用。 ③同一性：作用力和反作用力的性质是相同的。这一点从几个实验中可以看出，当作用力是弹力时，反作用力也是弹力；作用力是摩擦力，反作用力也是摩擦力等等。 ④方向：作用力跟反作用力的方向是相反的，在一条直线上。 9、相互作用力大小的关系 实验仪器：弹簧秤 教师操作：用两个弹簧秤对拉，观察两个弹簧秤间的作用力和反作用力的数量关系。 实验结论： ⑤大小：作用力和反作用力的大小在数值上是相等的。 牛顿第二定律 1、牛顿第二定律(1) 实验仪器：两辆质量相同的小车、两个光滑的轨道(一端带有定滑轮)、砝码(一盒)、细绳、夹子 实验方法：控制变量法。 教师操作：两辆质量相同的小车，放在光滑的轨道上，小车的前端各系上细绳，绳的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘，盘里放有数量不等的砝码，使两辆小车在不同的拉力下做匀加速运动。 (2)对本次实验中说明的两个问题 a：砝码跟小车相比质量较小，细绳对小车的拉力近似地等于砝码所受的重力。 b：用一只夹子夹住两根细绳，以同时控制两辆小车。 (3)实验的做法： a：在两砝码盘中放不同数量的砝码，以使两小车所受的拉力不同。 b：打开夹子，让两辆小车同时从静止开始运动，一段时间后关上夹子，让它们同时停下来。 (4)观察两辆车在相等的时间里，所发生的位移的大小。 实验现象：所受拉力大的那辆小车，位移大。 实验结论：小车的位移与它们所受的拉力成正比；对质量相同的物体，物体的加速度跟作用在物体上的力成正比。 教师操作：使两辆小车所受拉力相同，而在一辆小车上加放砝码，以增大质量，研究加速度和质量之间的关系。 实验现象：在相同的时间里，质量小的那辆小车的位移大；在相同的力作用下，物体的加速度跟物体的质量成反比。 2、牛顿第二定律(2) 实验仪器：数字计时器(J0201-CC)、气垫导轨(J2125)、小型气源(J2126)、水平尺、天平、砝码、砝码盘(5g以下)、滑块(200g以上)、挡光片、滑块配重、细线 天平： (1)构造和原理 天平是一种等臂杠杆装置，中学常用的是物理天平，其构造如图。 天平工作原理——平衡时，m物·gL1=mgL2,因为L1=L2，所以m物=m码。 码·(2)规格 ①最大载荷：即天平允许称量的最大质量。 ②分度值：即游码在横梁上移动一个最小分格所代表的砝码质量。 ③感量：是指指针从标尺上的平衡位置偏离一个最小分格时，天平两盘上的质量差，其单位是“g/格”。 ④灵敏度：即感量的倒数，单位“格/g”。天平指针上重锤的位置越高，天平衡量的重心位置就越高，天平的灵敏度也就越高。 (3)使用方法 ①先调天平水平，看底座水准仪气泡是否在中央。 ②调横梁水平，把游码D移到衡量刻度的“0”处，把秤盘钓吊挂在两端刀口上，启动天平，，判断天平是否平衡，如不平衡，先将天平止动，调节配重螺母E和E′，再启动天平。如此反复操作，直至天平平衡。 ③称量——左盘放物，右盘放砝码。当需要调节的砝码质量小于1g时，用移动游码的位置代替。 ④每次称量完毕，应将天平止动。全部称量完毕后，将秤盘摘离刀口，置于刀口内侧。 (4)操作规则 ①为了避免刀口受冲击而损坏，一切操作都应在天平止动的状态下进行。不使用天平时也应将天平止动。只是在判断天平是否平衡时才将天平启动。天平一经启动，就不能再去碰它。 ②天平的负载量不可超过其最大载荷。 ③砝码不得用手拿取，只能用镊子取放。从秤盘上取下砝码后应立即放回砝码盒中。 ④称量时应掌握加减砝码的方法——先加大砝码，后加小砝码，在移动游码。退下来的砝码不要重复选用。 ⑤天平各部分以及砝码都要防锈防蚀。高温物体、液体及带腐蚀性的化学药品不得直接放入秤盘内称量。 ⑥天平称量物体的质量等于砝码总质量和游码尺上的示数之和。根据游标上最小分度应估读到克的百分位。 实验原理： 利用气垫导轨做实验来验证牛顿第二定律。在图中，当滑行器质量M远大于砝码质量m时，可以认为滑行器水平运动时受的合外力等于mg。研究质量一定时，加速度与合外力的关系，以及合外力一定时，加速度与质量的关系，即可验证牛顿第二定律。 教师操作： (1)用天平称出滑行器、配重以及砝码盘的质量。 (2)把滑行器放上导轨，开动气源，调节调平螺丝，如果滑行器能静止或做匀速直线运动，则可认为轨面已经调节成水平。为了判定滑行器做的是否是匀速运动，可将数字计时器拨到S1挡，可轻推一下滑行器(其上已装有挡光条)，若滑行器通过两光电门时，遮光时间相等，它做的就是匀速运动。 (3)把细线一端系在滑行器上，另一端绕过定滑轮、系上砝码盘。 (4)把计时器拨到S2挡，滑行器上装挡光条，开动气源，用手扶住滑行器，调整其位置，使得一放手滑行器开始运动，计时器立即计时(可多练习几次)。记下滑行器通过光电门1、2所用的时间t和位移S，用公式a＝ 求出其加速度。 (5)往砝码盘中加砝码，每次加1～2克，不可过多(为什么)。重复步骤(4)。比较各次实验中合外力与滑行器的加速度的关系，看加速度是否与合外力成正比。 (6)保持砝码及砝码盘的总质量不变，运动的合外力不变，给滑行器加配重。重复步骤(4)，求出加不同配重时滑行器的加速度。比较滑行器(及其配重)的总质量和加速度的关系，看合外力一定时，加速度是否与质量成反比。 实验结论：物体的加速度跟作用在物体上的力成正比，跟物体的质量成反比。 3、牛顿第二定律(3) 实验仪器：气垫导轨(J2125)、数字计时器(J0201－CC)、小型气源(J2126)、天平砝码、砝码盘(5克以下)、滑行器(质量200克以上)、滑行器配重、细线 教师操作： (1)把计时器拨到S1挡。使滑行器(插有挡光条)从静止开始运动。从计时器读出挡光条经过两光电门的时间，利用挡光条的有效遮光宽度求出滑行器经过两光电门的即时速度V1和V2。 (2)把计时器拨到S2，使滑行器在砝码盘的拉力作用下运动，记下滑行器通过两光电门之间的位移的时间t，由公式 a＝ 算出a。 (3)往砝码盘中逐渐增加砝码，重复步骤(2)和(3)，测出几个加速度，比较合外力与加速度的关系。看加速度是否与合外力成正比。 (4)保持砝码盘及砝码质量不变，改变滑行器的质量，重复步骤(2)、(3)，观察在外力一定时，加速度是否与质量成反比。 注意事项： (1)保证砝码及砝码盘的总质量m远小于滑行器的质量，是提高本实验精度的关键之一。 (2)保证即时速度的测量精度才能提高加速度的测量精度。为此应使(v2－v1)之差保证有两位有效数字。 4、验证牛顿第二定律(学生实验) 实验仪器：轨道小车(J2108型)、电磁打点计时器(J0203型)、学生电源、托盘天平(200克，0.1克)或学生天平(J0104型)、砂桶、砂袋、纸带、直尺、细线、木块 实验原理： 如图，如果摩擦力可以不计，则对质量为m的砂桶和砂及质量为M的小车分别有 T=Ma (1) mg－T=ma (2) 解得 T= mg 当 M>>m时，T≈mg 则(1)式变为mg≈Ma所以，如果实验测得在M一定时，a∝mg，在mg一定时a ∝ ，就验证了牛顿第二定律。 学生操作： (1)用天平测出小车质量m，在砂桶内加适量的砂，用天平测出砂和桶的总质量m1(要保证m1≤0.05m)。把打点计时器固定在长木板上。 (2)把纸带系在小车上，并使纸带穿过打点计时器。把木块垫在装有打点计时器的木板一端下面，调节木块位置使小车能在木板上做匀速运动。这时，小车所受摩擦阻力与小车所受重力沿斜面方向的分力平衡(注意此时未挂砂桶)。 小车质量不变时的实验记录 小车质量m＝_____千克，计数点间时间间隔T=______秒 纸带 编号 砂桶总质量m1(kg) 加速力F＝m1g(N) 连续相等时间内的位移s(m) s1 s2 s3 s4 s5 s6 s7 …… 位移差sn+3－sn(m) s4－s1＝ s5－s2＝ s6－s3＝ s7－s4＝ …… 加速度a(m/s2) a1＝ a2＝ a3＝ a4＝ …… 加速度平均值(m/s2) 1 2 3 (3)把系在砂桶上的细线绕过木板上的定滑轮后系在小车上，把小车放在打点计时器附近，接通电源，放开小车，便在纸带上留下反映小车运动状况的点迹。取下纸带并编上号码。 (4)给小车换上新纸带，保持小车质量不变。往砂桶内加一些砂，并称出其质量(注意仍需保证m>>m1)。重复步骤(3)。如此做几次。对各次实验所得的纸带取好计数点，进行测量和计算，求出每条纸带对应的小车的加速度，分别记入上面的表格中。 (5)保持砂桶总质量m1不变，往小车上依次加不同数目的砂袋(其质量预先测出)，重复步骤(3)几次。把各次纸带数据记入下面的表格中。 加速的力恒定时的实验记录 砂桶总质量m1＝_____kg，加速的力F≈m1g_____N，计数点间时间间隔T=______s 纸带 编号 小车质量m(kg) 砂袋质量m2(kg) 计数点间位移s(m) s1 s2 s3 s4 s5 s6 s7 …… 位移差sn+3－sn(m) s4－s1＝ s5－s2＝ s6－s3＝ s7－s4＝ …… 加速度a(m/s2) a1＝ a2＝ a3＝ a4＝ …… 加速度平均值(m/s2) 1 (6)分析实验数据，看是否符合牛顿第二定律。 注意事项： (1)平衡摩擦力和保证m>>m1是减小本实验系统误差的关键。采用上述“垫板法”平衡摩擦力，不仅操作方便，而且在改变小车质量的实验中不需再调。这是因为摩擦力和小车所受重力沿斜面方向的分力总是成正比地变化的。所用长木板各部分的平滑程度尽可能要一致。最好不上漆，刨平后用零号砂纸打磨一下即可。调匀速时，先进行目测，最后应打一条纸带观察，看是否调到匀速了。为了保证m>>m1，小车质量应足够大。如果所用小车质量较小，可在小车内装一些砝码以增加总质量。在精确度要求不太高时，砂桶总质量最大不超过小车质量的5%。这时可在两位有效数字的精度上验证定律。例如，小车质量为200克，则砂桶最大不超过10克。若需砂桶质量调节范围大一些，则应增大小车质量。 (2)本实验的数据处理主要是用打点纸带测算加速度，可以用速度－时间图象求加速度。 (3)分析实验数据验证牛顿第二定律时，可以用比例法验证：即看比值 ， ， ……等在实验误差范围内是否为同一恒量(等于小车质量m)；乘积m1a1，m2a2，m3a3……等是否为同一恒量(等于加速力F)；也可以作出a－F图像和a－ 图像，看图像是否为直线来验证。由于是验证性实验，可以预先让学生分析作a－m图像(双曲线)的弊端，得出作a－ 图像的优点。 (4)如果平衡摩擦力做得不好，则图像不会通过坐标原点；如果不满足m>>m1的条件，图像将会是一条曲线。出现后一种情况时，可以采用保证运动系统(小车和砂桶)的总质量不变来消除。办法是，预先在小车内装几个小砝码，在需要改变加速的力时，把这些砝码移少量到砂桶内。只要摩擦力能得到较好的平衡，就可以得到过坐标原点的直线。不过，在计算质量时，应把砂桶的总质量考虑在内。 3.3 超重和失重现象 1、超重、失重 实验仪器：弹簧测力计、钩码(学生每2人一组) 学生操作：在弹簧下挂一只砝码，当保持为静止状态(或匀速向上或向下运动)时，弹簧示数等于砝码的重力大小，当手提弹簧向上加速(或向下减速)时，其示数大于砝码重力大小。当手提弹簧向下加速(或向上减速)时，其示数小于砝码重力的大小。 2、完全失重 实验仪器：下面扎孔的可乐瓶；重物(2块)、纸条 教师操作：在可乐瓶下面扎一些小孔，装上水后水从小孔喷出.把水瓶抛出，观察喷水情况会怎样变化(先观察上抛时的现象，再观察下抛的情况)。 实验结论：抛出后水处于失重状态，对瓶无压力，水不喷。 教师操作：两重物夹一张纸条，放在桌面上时，纸条抽不出来；把两重物抛出，纸条很容易抽出。 实验结论：重物抛出后处于失重状态，对纸条没有作用力。 4. 曲线运动 4.1 曲线运动的条件 运动的合成与分解 1、曲线运动的条件 实验仪器：小球、绳；铁球、磁铁、斜槽 教师操作：拴着绳的小球在桌面上作圆周运动，绳子的拉力改变小球速度的方向。 教师操作：斜槽上滚下的铁球沿直线前进；在旁边放上磁铁后，铁球运动方向改变。 实验结论：合外力与速度不在同一直线上时，物体作曲线运动。 2、曲线运动速度的方向 实验仪器：雨伞、水(或沙轮、铁) 教师操作：把水倒在张开的雨伞上，转动雨伞。 实验结论：曲线运动中，速度方向是时刻改变的，在某时刻的瞬时速度方向在曲线的这一点的切线方向上。 3、运动的合成 实验仪器：运动合成演示器(J2170)、停表 教师操作：演示两个分运动并计时；演示合运动并计时。 实验结论：合运动与分运动具有等时性。 4.2 平抛运动 1、平抛运动与自由落体运动 实验仪器：平抛竖落仪(J04228) 教师操作：组装仪器；使底座成水平状态，将两个钢球分别放置在角铁两端的圆窝内，压下扳机，在弹簧的拉力下，角铁发生转动，左边钢球离开圆窝做平抛运动，同时右端角铁后退，右边钢球做自由落体运动；变换弹簧的拉孔，重复实验。 实验结论：在同一高度上的两个物体，同时开始运动，一个做自由落体运动，另一个做平抛运动，不论平抛物体的水平初速度有多大，它与自由下落的物体总是同时落地的；平抛运动的竖直分运动是自由落体运动。 2、平抛运动与水平匀速直线运动 实验仪器：钢球(2个)、斜槽(2个)、水平槽、铁架台 教师操作：把两个斜槽上下固定在铁架台上，使水平槽与下边斜槽末端保持在同一水平面上；使两个钢球从两个斜槽的同一位置释放，上边钢球滑出斜槽后做平抛运动，下边钢球在水平槽上作匀速直线运动。 实验现象：两个钢球在水平槽的某一位置碰在一起。 实验结论：平抛运动的水平分运动是匀速直线运动。 3、研究平抛物体的运动(学生实验) 实验仪器：平抛运动实验器(J2154)、学生电源、白纸、复写纸 实验目的： (1)描出平抛物体的运动轨迹。 (2)求出平抛物体的初速度。 实验原理：平抛运动可以看作是两个分运动——水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动——的合成；用小球描出平抛运动的轨迹，测出曲线上任一点的坐标x和y，就可以根据平抛运动的公式x=vt和y= gt2求出小球的水平分速度，即平抛物体的初速度。 学生操作： (1)组装仪器，接通电源(DC4～6V)；通过底板四只调平螺栓调整重锤线，使其与平板上标线平行，使导轨末端与重锤线垂直。 (2)旋转小旋钮，使接球槽在支轴上活动(一般先取上方位，逐渐下移)；把白纸与复写纸叠放在一起(复写纸在外)平整的压入平板上纸夹内(白纸左上角与原点重合)。 (3)吸球，放球，在白纸上描得一系列平抛球运动点迹(一般取5、6个点)。 数据处理：白纸左上角即为坐标原点O，上边缘为X轴，左边缘为Y轴；把各点用平滑曲线连接起来；量出各点的高度和水平距离，计算出初速度，最后算出平均值。 注意事项：保证斜槽末端的切线水平，使板竖直；小球每次从斜槽上同一位置滚下。 误差分析： (1)误差来源——小球受空气阻力；斜槽末端切线不水平；小球每次自由滚下的位置不同。 (2)减小误差方法——实验中选取密度大的小金属球；斜槽末端切线一定要调水平；小球每次从斜面上较高的同一点由静止释放。 4.3圆周运动 1、传动与同轴转动 实验仪器：自行车 教师操作：让学生观察自行车后轮、齿轮、脚踏板转动现象。 实验结论：皮带、齿轮传动——线速度相同；同轴转动——角速度相同。 2、向心力 实验仪器：向心力实验器(J2131)、弹簧测力计、停表、游标卡尺 向心力实验器： (1)指针较长，圆柱体的少量位移经过杠杆的放大，使显示更为明显。但指针有质量，同时，转动时会做离心运动，所以制造时加了指针配量，使指针系统成静平衡。再通过适当选择摆杆的质量维持指针系统的动平衡。因而实验时无需考虑指针的质量和它可能做离心运动的影响。 (2)转动轴由立柱上的钢珠支撑，转动轴下部有定位锥套。实验前调整配重的位置时应将定位锥套退下，调整后将套重新推向上。 游标卡尺： (1)构造 游标卡尺是工业上常用的测量长度的仪器，它由尺身及能在尺身上滑动的游标组成。若从背面看，游标是一个整体。游标与尺身之间有一弹簧片(图中未能画出)，利用弹簧片的弹力使游标与尺身靠紧。游标上部有一紧固螺钉，可将游标固定在尺身上的任意位置。尺身和游标都有量爪，利用内测量爪可以测量槽的宽度和管的内径，利用外测量爪可以测量零件的厚度和管的外径。深度尺与游标尺连在一起，可以测槽和筒的深度。 尺身和游标尺上面都有刻度。以准确到0.1毫米的游标卡尺为例，尺身上的最小分度是1毫米，游标尺上有10个小的等分刻度，总长9毫米，每一分度为0.9毫米，比主尺上的最小分度相差0.1毫米。量爪并拢时尺身和游标的零刻度线对齐，它们的第一条刻度线相差0.1毫米，第二条刻度线相差0.2毫米，……，第10条刻度线相差1毫米，即游标的第10条刻度线恰好与主尺的9毫米刻度线对齐。 当量爪间所量物体的线度为0.1毫米时，游标尺向右应移动0.1毫米。这时它的第一条刻度线恰好与尺身的1毫米刻度线对齐。同样当游标的第五条刻度线跟尺身的5毫米刻度线对齐时，说明两量爪之间有0.5毫米的宽度，……，依此类推。 在测量大于1毫米的长度时，整的毫米数要从游标“0”线与尺身相对的刻度线读出。 (2)使用 用软布将量爪擦干净，使其并拢，查看游标和主尺身的零刻度线是否对齐。如果对齐就可以进行测量：如没有对齐则要记取零误差：游标的零刻度线在尺身零刻度线右侧的叫正零误差，在尺身零刻度线左侧的叫负零误差(这件规定方法与数轴的规定一致，原点以右为正，原点以左为负)。 测量时，右手拿住尺身，大拇指移动游标，左手拿待测外径(或内径)的物体，使待测物位于外测量爪之间，当与量爪紧紧相贴时，即可读数 (3)读数 读数时首先以游标零刻度线为准在尺身上读取毫米整数，即以毫米为单位的整数部分。然后看游标上第几条刻度线与尺身的刻度线对齐，如第6条刻度线与尺身刻度线对齐，则小数部分即为0.6毫米(若没有正好对齐的线，则取最接近对齐的线进行读数)。如有零误差，则一律用上述结果减去零误差(零误差为负，相当于加上相同大小的零误差)，读数结果为： L＝整数部分＋小数部分－零误差 判断游标上哪条刻度线与尺身刻度线对准，可用下述方法：选定相邻的三条线，如左侧的线在尺身对应线左右，右侧的线在尺身对应线之左，中间那条线便可以认为是对准了。 如果需测量几次取平均值，不需每次都减去零误差，只要从最后结果减去零误差即可。 (4)保养 ①游标卡尺使用完毕，用棉纱擦拭干净。长期不用时应将它擦上黄油或机油，两量爪合拢并拧紧紧固螺钉，放入卡尺盒内盖好。 ②游标卡尺是比较精密的测量工具，要轻拿轻放，不得碰撞或跌落地下。使用时不要用来测量粗糙的物体，以免损坏量爪，不用时应置于干燥地方防止锈蚀。 ③测量时，应先拧松紧固螺钉，移动游标不能用力过猛。两量爪与待测物的接触不宜过紧。不能使被夹紧的物体在量爪内挪动。 ④读数时，视线应与尺面垂直。如需固定读数，可用紧固螺钉将游标固定在尺身上，防止滑动。 ⑤实际测量时，对同一长度应多测几次，取其平均值来消除偶然误差。 (5)精度 实际工作中常用精度为0.05毫米和0.02毫米的游标卡尺。它们的工作原理和使用方法与本书介绍的精度为0.1毫米的游标卡尺相同。精度为0.05毫米的游标卡尺的游标上有20个等分刻度，总长为19毫米。测量时如游标上第11根刻度线与主尺对齐，则小数部分的读数为 毫米＝0.55毫米，如第12根刻度线与主尺对齐，则小数部分读数为 毫米＝0.60毫米。 一般来说，游标上有n个等分刻度，它们的总长度与尺身上(n－1)个等分刻度的总长度相等，若游标上最小刻度长为x，主尺上最小刻度长为y 则 nx＝(n－1)y， x＝y－( ) 主尺和游标的最小刻度之差为 Δx＝y－x＝ 叫游标卡尺的精度，它决定读数结果的位数。由公式可以看出，提高游标卡尺的测量精度在于增加游标上的刻度数或减小主尺上的最小刻度值。一般情况下y为1毫米，n取10、20、50其对应的精度为0.1，0.05毫米、0.02毫米。精度为0.02毫米的机械式游标卡尺由于受到本身结构精度和人的眼睛对两条刻线对准程度分辨力的限制，其精度不能再提高。 教师操作：组装仪器并调节使装置处于水平；选取半径并调节横杆水平；调解弹簧松紧；用手捻动旋转体，使指针低于红色区域，转动减慢，指针进入红色区域时启动停表，并记录转动圈数，指针上升到将离开红色区域时，停止计时和计数；用游标卡尺测出半径；用弹簧秤钩住重锤外侧的拉钩将重锤水平的拉至指针杆处于红色区域，读出弹簧秤的读数；比较向心力理论值与测量值；改变半径或装卸金属环，重复上述实验。 注意事项： (1)实验前应注意底座水平的调节，调不好将直接影响实验效果。 (2)各个固定螺钉要紧固，防止在实验中圆柱体的配重松动。 (3)摆杆和装在摆杆上的指针等附件做圆周运动的向心力，本仪器在设计上已消除，实验时可不予考虑。 (4)实验操作时，捻动旋转作用力不可过猛，防止损坏仪器和发生意外事故。 3、向心力游戏 实验仪器：小球、细绳、奖品 学生游戏：不借助其它物体，只用身体，哪位同学能够使拴着细绳的小球长时间在水平面内作圆周运动。 获奖同学：能够说出“这是不可能实现的动作”的同学。 分析：假设球在某一时刻在水平面上做匀速圆周运动，球受向心力沿水平方向，重力沿竖直方向，合力斜向下，下一时刻小球一定不在水平面内。 4、竖直面内的圆周运动 实验仪器：小桶、水、细绳 教师操作：小桶内装满水，拴上细绳，在竖直面内作圆周运动，当速度足够快时，水不潵出。 实验结论：水不潵出的临界条件是v= 。 类比分析：固定小球的杆在竖直平面内作圆周运动，杆不受力的临界条件。 5、车转弯 实验仪器：火车轮模型(用泡沫、直杆自制) 6、离心现象 实验仪器：白硬纸片、火柴(学生自备)、墨水(教师准备) 学生游戏： 拿一块光滑的白色硬纸板剪成圆形，中间插一根削尖了的火柴梗，就可以做成一个陀螺，像图所画的是它的实际大小。要使这个陀螺旋转，并不需要特别的技巧，只要把火柴梗的上部夹在大拇指和食指之间，把它拧转以后，很快丢到平滑的面上，就可以了。 现在，你可以利用这个陀螺做一个很有意义的实验。在使它旋转之前，在那圆纸片上先滴几小滴墨水。接着，不等墨水干燥，立刻把陀螺拧转。等它停下来以后，再看看那些墨水滴：每一滴墨水已经画成一条螺旋线，而这些墨水滴画出的螺旋线合起来看，就像旋风的模样。 像旋风的模样倒并不是偶然的。你知道这圆纸片上的螺旋线表示了些什么吗?这其实是墨水滴移动的轨迹。每一滴墨水在旋转的时候受到的作用，跟坐在“魔盘”上的人受到的完全一样。这些墨水滴在离心作用下离开了中心向边上移动，在边上纸片的转速比墨水滴本身的要大了许多。 在这些地方，这圆纸片仿佛从墨水滴底下悄悄地溜了过去，跑到了它们的前面。结果每一滴墨水仿佛都落到了圆纸片的后面，退到它的半径后面似的。它的路线正因了这个缘故才显出弯曲的形状──使我们在纸片上看到了曲线运动的轨迹。 从高气压地方向外流动的空气流(就是所谓“反气旋”)或流向低气压的空气流(就是所谓“气旋”)所受到的作用也完全相同。因此，墨水滴画成的螺旋线实在可以说是真正旋风的缩影。 7、离心现象的应用 实验仪器：手摇离心转台(J04229)、离心机械模型(J2132) 教师操作：离心干燥器——把离心干燥器支轴固定在手摇离心转台上的轴套里；打开透明塑料外桶上盖，把浸过水的海绵放进离心干燥器的内桶里，盖上桶盖；手摇摇把，约2～3分钟，可观察到离心干燥器的透明外桶上飞散有水珠，取出海绵，手感可知已经干了。 教师操作：离心分离器——把离心分离器的支轴插入手摇离心转台的轴套里；把撒入细土粒或细粉的混浊水装在离心分离器的两个离心管内；手摇摇把，约2～3分钟，可观察到水中细粒沉淀在离心管的底部，上面水清澈透明。 动能 动能定理 1、动能与速度、质量的关系 实验仪器：动能势能演示器(J2169) 动能势能演示器： 教师操作：组装好仪器；将钢球挂于悬线上使之偏离竖直平面，释放钢球，让其做单摆运动，钢球运动到最低点时，速度最大，将滑块放于滑槽起始端，滑块将被钢球撞击并滑行一段位移；更换不同质量的钢球和从不同高度释放钢球，重复上述实验。 实验结论：质量越大物体具有的动能越大，运动速度越大，动能越大。 2、验证动能定理 实验仪器：电磁打点计时器(J0203型)、学生电源、长方形木块(约10×7×4厘米3)、纸带、天平(学生天平或托盘天平)、带定滑轮的木板(长约1米)、细线、砝码盘、砝码 实验目的：验证在外力作用下物体做加速运动或减速运动时，动能的增量等于合外力所做的功。 实验原理：物体在恒力作用下做直线运动时，动能定理可表述为 F合s= mv22- mv12。只要实验测得F合s 和 m(v22-v12)在实验误差范围内相等，则动能定理被验证。F合可以由F合＝ma求得。 教师操作： (1)用天平测出木块的质量。把器材按图装置好。纸带固定在木块中间的方孔内。 (2)把木块放在打点计时器附近，用手按住。往砝码盘中加砝码。接通打点计时器电源，让它工作。放开木块，让它做加速运动。当木块运动到木板长的 左右时，用手托住砝码盘，让木块在阻力作用下做减速运动。当木块到达定滑轮处(或静止)时，断开电源。 (3)取下纸带，在纸带上反映物体加速运动和减速运动的两部分点迹中较理想的一段，分别各取两点(其间点迹数不少于9点)。量出SA、SB、SC、SD和SAB、SCD。由SA、SB、SC、SD及相应的时间间隔(图中为0.08秒)。算出VA、VB、VC、VD，利用VA、VB和A、B间的时间间隔求出A、B间木块运动的加速度aAB；同法求出aCD。则木块质量m与aAB、aCD的乘积分别表示在AB段和CD段木块受的合力。 (4)根据实验结果填好下表，看F合S与ΔEk是否相等。 计数点附近的位移(m) 各计数点处的速度(m/s) 运动的加速度(m/s2) 木块受的合力ma(N) 计数点间的位移(m) 合外力的功(J) 木块的动能增量(J) 加速阶段 SA= SB= VA= VB= aAB= FAB= 减速阶段 SC= SD= VC= VD= aCD= FBC= (5)重新取计数点，重复步骤(3)和(4)，再验证一次。 机械能守恒定律 1、重力势能与质量、高度的关系 实验仪器：动能势能演示器(J2169) 教师操作：组装好仪器；将钢球下落定位孔提升到一定的高度，使其中一孔对准下面的透明圆筒，透明圆筒口部放入带布绒的圆柱体；让一钢球从定位孔中竖直下落，钢球撞击带布绒的圆柱体，并使之下滑一段距离；使用不同质量的钢球从不同高度下落重做上面实验。 实验结论：质量越大物体具有的重力势能越大，物体越高，重力势能越大。 2、弹性势能 实验仪器：动能势能演示器(J2169) 教师操作：用弹簧压缩杆将弹簧压缩，在其上端放进钢球，释放被压缩的钢球，钢球被弹起一定的高度；改变弹簧压缩量，重做上述实验。 实验结论：被压缩产生弹性形变的弹簧具有弹性势能；在弹性限度内，物体发生形变越大，弹性势能越大。 3、动能和势能的相互转化 实验仪器：麦克斯韦滚摆(J04423)、弹簧振子、动能势能演示器(J2169)、单摆 教师操作：演示动能和势能的相互转化。 4、验证机械能守恒 实验仪器：密绕软弹簧、100克钩码、方座支架的铁圈、方座支架(J1102型)、长20厘米的金属棒、直尺 实验目的：用竖直弹簧振子验证在只有重力和弹力做功时，系统的机械能守恒。 实验原理：设弹簧自然长(未挂钩码时弹簧下端的簧头距悬点O的距离)为L0，弹簧下挂质量为m的钩码后，平衡时弹簧的伸长量为x0。竖直下拉钩码后放手，让弹簧振子振动，且振动到最高位置时，弹簧长度大于L0。设振子在最低位置和最高位置时弹簧的伸长量分别为x1和x2，则振动中钩码上升的高度为x＝x1－x2，且x的中点在平衡位置处。设弹簧的倔强系数(劲度系数)为k，则k= mg x0设钩码在振动最低点时的重力势能为零，则此位置弹簧振子系统的机械能为 1E1= kx12 2当钩码振动到最高点时，弹簧振子系统的机械能为 11E2=kx22+mgx=kx22+mg(x1-x2) 22如果实验测得E1＝E2，则弹簧振子在振动中机械能守恒被验证。 教师操作： (1)把金属杆、金属环Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ按图所示的顺序装在立柱上，把弹簧挂在金属杆上。在未挂上钩码时，调整金属环Ⅰ的位置，使与弹簧下端箭头所指位置等高。 (2)把质量为m的钩码挂在弹簧下端，手拉钩码慢慢下放至平衡位置。测出此时弹簧下端箭头与金属环Ⅰ间的距离x0。由(1)式求出弹簧的倔强系数k。 (3)调整金属环Ⅲ和Ⅱ的位置，使它们距弹簧下端的箭头(此时它指示平衡位置)等远。作为实验中弹簧振动时，弹簧下端箭头的最低位置和最高位置。竖直下拉钩码，至弹簧下端箭头与金属环Ⅲ处于同一水平面后自由释放，观察在振动中，弹簧下端箭头的最高位置是否与金属环Ⅱ在同一水平面内。若不一致，可稍微移动金属环Ⅱ使之一致，测出环Ⅰ到环Ⅲ的距离x1和环Ⅰ到环Ⅰ的距离x2。分别算出E1和E2，看它们在实验误差范围内是否相等。 注意事项： (1)由于振动中机械能会因克服空气阻力做功而损耗，因此在定振动的最高位置时，应以最初几次振动的最大高度为准。 (2)向下拉钩码的距离不可过大，应使得在整个振动过程中弹簧都处于伸长状态，以免弹簧压缩时出现弯曲，破坏振动的稳定性。 5、验证机械能守恒定律(学生实验) 实验仪器：打点计时器及电源、重锤、纸带、复写纸片、刻度尺、带有铁夹的铁架台、导线 实验目的：验证机械能守恒定律。 实验原理：求做自由落体运动物体的重力势能的减少量和相应过程动能的增加量。若二者相等，说明机械能守恒，从而验证机械能守恒定律。 测定某点瞬时速度的方法是：物体作匀变速直线运动，在某时间的平均速度等于中间时刻的瞬时速度。 学生操作： (1)将打点计时器固定在铁架台上；将纸带固定在重物上，让纸带穿过打点计时器。 (2)用手握住纸带，让重物缓慢的靠近打点计时器的下方，然后接通电源，让重物自由下落，纸带上打下一系列小点。 (3)从打出的几条纸带中挑选第一、二点间的距离接近2mm且点迹清晰的纸带进行测量。 数据处理：物体自A点自由下落，下落到B点时与A的距离为hB，此时的速度为vB。下落到C点时与A的距离为hC，此时速度为vC。 问1：运用动能定理时，要确定初、末状态。初、末状态怎么选？ (B点为初状态，C点为末状态。) A 问2：为什么不选最高点和最低点？ (最高点时动能为0，最低点时重力势能为0，是特殊情形。不能用特殊代 B 替一般。) vB 物体从B到C的过程中，只有重力做功。由动能定理： hB W总=△EK v C １１ hC mg(hB-hC)=－mvC2-－mvB2 ２２ １１整理： mghB-mghC=－mvC2-－mvB2 ２２ ( △EP减 = △EK增) 问3：上式左边表示什么意思？右边表示什么意思？ (左边表示重力势能的减少量，右边表示动能的增加量。) 问4：整个式子表示什么意思？ (物体重力势能的减少量等于动能的增加量。) 问5：既然在物体下落的过程中，重力势能的减少量等于动能的增加量，那么物体的机械能变了吗？ (没有变。) 这个式子说明，虽然物体的重力势能和动能发生了变化，但物体的机械能总量却没有变，即机械能守恒。 １１将上式变形： mghB+－mvB2=mghC+－mvC2 ２２ ( EA = EB ) 问6：上式左边表示什么意思？右边表示什么意思？ (左边表示初状态的机械能，右边表示末状态的机械能。) 问7：整个式子表示什么意思？ (表示初状态的机械能等于末状态的机械能。即机械能守恒。) (1)表达式 E1=E2 １１2 mgh1+－mv1=mgh2+－mv22 ２２ △EP减=△EK增 △EP增=△EK减 (2)成立条件 ① 没有介质阻力和摩擦力 ② 只发生动能和势能的相互转化 即：只有重力和弹簧的弹力做功，其它力不做功。 以上两条件必须同时满足，机械能才守恒，缺一不可。 (3)应用 ① 明确研究对象和运动过程； ② 分析受力情况，看是否满足守恒条件； ③ 确定初状态和末状态，选定零势能面，确定初、末状态的机械能； ④ 列方程，求解。 注意事项： (1)实验中打点计时器的安装，两纸带限位孔必须在同一竖直线上，以减少摩擦阻力。 (2)实验时必须先接通电源，让打点计时器工作正常后才能松开纸带让重锤落下。 (3)纸带上端最好不要悬空提着，而要用手按在墙上，这样可保证下落的初速度为零，并且纸带上打出的第一个点是清晰的一个小点。 (4)测量下落高度时，都必须从起始点算起，不能搞错。为了减小测量h值的相对误差，选取的各个计数点要离起始点远些，纸带也不宜过长，有效长度可在60cm-80cm以内。 (5)因不需要知道动能的具体数值，因此不需要测量重物的质量m。 (6)铁架台上固定打点计时器的夹子不可伸出太长，以防铁架台翻倒。 误差分析： (1)误差来源——打点计时器的阻力、空气阻力、长度测量。 (2)减小误差方法——纸带下的重物重量要大些，体积要小；测距离时都应从0点量起，多测几次取平均值。 动量和动量守恒 7.1 冲量、动量和动量定理 1、冲量 实验仪器：气垫导轨(J2125)、小型气源(J2126)、钩码、滑块、细绳 教师操作：小车在不同拉力作用下获得同一速度所用的时间不同 实验结论：力大的作用时间短，力小的作用时间长. 2、动量的变化 实验仪器：气垫导轨(J2125)、小型气源(J2126)、滑块、数字计时器(J0201-CC)、天平 教师操作：数字计时器用S2；使用一只光电门；用手推滑块，经过光电门，经挡板反弹后再次经过光电门，停止计时；计算动量的变化。 3、动量定理 实验仪器：生鸡蛋2只、较厚的海绵垫；玻璃杯、纸条 教师操作：让两只鸡蛋同时从高出落下(尽量抬高)，一只落在海绵垫上，一只落在水泥地板上。 教师操作：纸条放在桌上，上边压上玻璃杯，缓慢抽动纸条；快速抽动纸条，比较。 实验结论：延长了作用时间，作用力减小。 4、验证动量定理 实验仪器：电磁打点计时器(J0203型)、学生电源(J1202型)、轨道(带定滑轮)、小车、纸带、天平(托盘天平或学生天平)、线、砝码、砝码盘 实验目的：验证物体做直线运动时，其动量的增量等于合外力的冲量，以加深学生对动量定理的理解。 动量定理：物体在恒力作用下做直线运动时，动量定理可表述为F合t＝mv′－mv只要实验测得F合t与mv′－mv在实验误差范围内相等，则动量定理被验证。而t、v′、v均可由打点纸带测定，F合也可以用平衡法直接测定。当在砝码盘中加适量的砝码，使得小车能沿斜面向上做匀速运动时，线的拉力T就等于砝码盘和砝码所受的重力mg，而T又等于小车所受的重力沿斜面向下的分力，即小车自由释放后沿斜面向下做加速运动的力。 教师操作： (1)按图装好斜面，往砝码盘中加砝码，直至小车能沿斜面向下做匀速运动，记下砝码和砝码盘所受的重力mg，这就是小车沿斜面自由向下运动时所受力的大小。 (2)用天平称出小车的质量m，保持斜面倾角不变，在斜面顶端装上电磁打点记时器。把纸带穿过打点记时器后系在小车上，。拉引纸带，使小车停在打点计时器附近。接通电源，使打点计时器工作，放开小车，打出纸带后断开电源。 (3)取下纸带，大约隔十个以上的点迹取两个计数点A、B，测出相应的SA、SB、tAB，将有关结果记入下表。 测量编号 1 2 3 4 小车质量 小车加速运动时的合力F 计数点附近的位移 SA SB 计数点处的即时速度 VA VB 计数点间合力的冲的时间tAB 量FtAB 小车的动量增量 (4)比较Ft与mvB－mvA，看它们在实验误差范围内是否相等，得出结论。重新再取两个计数点进行同样的测算，再次进行验证。 注意事项：如果安装方便，在步骤(1)中可以让小车带着穿过了打点计时器的纸带一起匀速下移，则mg的值更接近小车加速下移时的合力的大小。 7.2 动量守恒定律 1、动量守恒 实验仪器：气垫导轨(J2125)、小型气源(J2126)、数字计时器(J0201-CC)、水平尺、弹簧、细线、火柴、滑块2只、重量与滑块相等的重物、天平 教师操作：气垫导轨保持水平；调节好两只滑块到两端挡板的距离，中间压紧弹簧，拴好细线；用火柴烧断细线。 实验原理：0=mv1-mv2 =>0=ms1-ms2=> s1=s2 0= 2mv1-mv2 =>0=2ms1-ms2=> 2s1=s2 2、完全非弹性碰撞 实验仪器：气垫导轨(J2125)、小型气源(J2126)、数字计时器(J0201-CC)、水平尺、弹簧圈2只、质量相等的滑块2只 教师操作：数字计时器选择S2；气垫导轨保持水平；一只滑块置于两光电门之间，轻推另一只滑块；比较两个示数。 实验现象：第一只滑块停下来，另一只以第一只的速度运动(两只光电门的示数基本相同)。 3、用冲击摆测弹丸的速度 实验仪器：冲击摆(J2136型)、直尺、学生天平 实验目的：利用冲击摆较精确地测定弹丸的速度，学习运用动量守恒定律和机械能守恒定律解决实际问题的方法，了解实验装置的设计思想。 实验原理：如图，如果质量为m的弹丸以某一速度v水平射入悬挂着的质量为M的静止摆块中并一起以共同速度v′运动，则在射入过程中，由动量守恒定律得： mv=(m+M)v′ (1) 在弹丸与摆块一起上升过程中机械能守恒： 1(m+M)v′2=(m+M)gh (2) 2且h=l(1-cosθ) (3) 由(1)、(2)、(3)可得： v= M+m2gl(1-cosθ) (4) m只要在实验中测得M、m、L、θ，则由(4)式可求得弹丸的入射速度。 冲击摆： 教师操作： (1)将冲击摆放在桌面上，弹簧枪尾部正对实验者。调节底板上的调节螺钉使底板大致呈水平。调整四根悬线的长度，使摆块上表面呈水平，侧面与刻度板平行，前端面与刻度板的零刻度线对齐(若没有对齐，可调整底座上位于一侧中部的螺钉)，后端面的入射孔与弹簧枪口正对(偏左或偏右时，也可调节调节螺钉)。 (2)拉动弹簧枪拉手至第一挡，装上弹丸。为减少克服摩擦力而引起的能量损耗，把指针预先拔在适当位置(5°～10°范围)。压下扳机，射出弹丸，弹丸进入摆块后推动摆块一起上升，摆块将指针推动到摆块所能到达的最高位置。在摆块返回时，用手将其止住。记下指针的最大偏角θ。 (3)把指针拨回1°～2°。取出弹丸，观察摆块的静止位置是否理想，并作适当调整。重新把枪机拉在第一挡上，安上弹丸，重复步骤(2)。在第一挡上共做3次。 (4)使枪机处于第二挡及第三挡，重复步骤(2)、(3)，每挡做3次。 (5)用尺量出悬线的长度(准确一些，是悬线长在竖直方向的投影长度)，用天平测出弹丸和摆块的质量。分别计算各次弹丸的速度，求出每挡速度的平均值。将所有测量和计算结果记入下表中。 弹丸质量m= kg，摆块质量M= kg，悬线长L= m，g=m/s2 挡次 实验次数 指针偏角 测量值 平均值 弹丸速度(m/s) 4、完全弹性碰撞 实验仪器：气垫导轨(J2125)、小型气源(J2126)、数字计时器(J0201-CC)、水平尺、橡皮泥2片、质量相等的滑块2只 教师操作：数字计时器选择S2；气垫导轨保持水平；一只滑块置于两光电门之间，轻推另一只滑块；比较两个示数。 实验现象：两只滑块碰撞后粘在一起，以第一只滑块速度的一半的速度向前运动(第二只光电门的示数大约是第一只光电门的一半)。 第一挡(低速挡) 1 2 3 第二挡(中速挡) 1 2 3 第三挡(高速挡) 1 2 3 5、动量守恒的基本条件 实验仪器：气垫导轨(J2125)、小型气源(J2126)、数字计时器(J0201-CC)、水平尺、弹簧、滑块2只 (1)、在气垫导轨(视为没有摩擦力)上有一个弹簧振子系统，如图所示，两振子的质量分别为m1和m2.讨论此系统在振动时动量是否守恒。 分析：由于水平面上无摩擦，故振动系统不受外力(竖直方向重力与支持力平衡)，所以此系统振动时动量守恒，即向左的动量与向右的动量大小相等。 (2)、若导轨不光滑，两振子的动摩擦因数μ相同，讨论m1＝m2和m1≠m2两种情况下振动系统的动量是否守恒。 分析：m1和m2所受摩擦力分别为f1＝μm1g和f2＝μm2g.由于振动时两振子的运动方向总是相反的，所以f1和f2的方向总是相反的。 对m1和m2振动系统来说合外力∑F外＝f1+f2，但注意是矢量合.实际运算时为 ∑F外＝μm1g-μm2g 显然，若m1＝m2，则∑F外＝0，则动量守恒； 若m1≠m2，则∑F外≠0，则动量不守恒。 向学生提出问题： (1) m1＝m2时动量守恒，那么动量是多少？ (2) m1≠m2时动量不守恒，那么振动情况可能是怎样的？ 与学生共同分析： (1) m1＝m2时动量守恒，系统的总动量为零.开始时(释放振子时)p＝0，此后振动时，当p1和p2均不为零时，它们的大小是相等的，但方向是相反的，所以总动量仍为零。 数学表达式可写成： m1v1＝m2v2 (2) m1≠m2时∑F外＝μ(m1-m2)g.其方向取决于m1和m2的大小以及运动方向。比如m1＞m2，一开始m1向右(m2向左)运动，结果系统所受合外力∑F方向向左(f1向左，f2向右，而且 f1＞f2).结果是在前半个周期里整个系统一边振动一边向左移动。 进一步提出问题：(如果还没有学过机械能守恒此部分可省略) 在m1＝m2的情况下，振动系统的动量守恒，其机械能是否守恒？ 分析：振动是动能和弹性势能间的能量转化.但由于有摩擦存在，在动能和弹性势能往复转化的过程中势必有一部分能量变为热损耗，直至把全部原有的机械能都转化为热，振动停止.所以虽然动量守恒(p＝0)，但机械能不守恒。(从振动到不振动) 6、某一方向上动量守恒 实验仪器：碰撞球系统(两球和多球)；反冲小车 教师操作：反冲小车实验——点燃酒精，将水烧成蒸汽，气压增大后将试管塞弹出，与此同时，小车后退。 教师操作：小球碰撞实验——说明在碰撞时水平方向外力为零(竖直方向有向心力)，因此水平方向动量守恒。 结论：碰撞时两球交换动量(mAmB)，系统的总动量保持不变。 7、反冲 实验仪器：气球；反冲运动演示器(J2167)、水 教师操作：拿一个气球，给它充足气，然后松手，观察现象。 实验现象：释放气球后，气球内的气体向后喷出，气球向相反的方向飞出。 教师操作：将水倒入反冲运动演示器的漏斗形容器内。 实验现象：水沿两个弯管喷出，弯管带动漏斗形容器一起转动。 8、火箭 实验仪器：铝箔、火柴、支架 教师操作：用薄铝箔卷成一个细管，一端封闭，另一端留一个很细的口，内装由火柴头刮下的药粉，把细管放在支架上，用火柴或其他办法给细管加热。 实验现象：当管内的药粉点燃时，生成的燃气从细口迅速喷出，细管便向相反方向飞去。 9、碰撞中的动量守恒(学生实验) 实验仪器：斜槽、玻璃球、钢球、重锤线一条、白纸、复写纸、天平一台、刻度尺、圆规、三角板 实验目的：研究碰撞(对心正碰)中的动量守恒。 实验原理：质量为m1和m2的两个小球发生正碰，m1 m2 若碰前m1运动，m2静止，根据动量守恒定律应有： m1v1=m1v1′+m2v2′。因小球从斜槽上滚下后做平抛运动，由平抛运动知识可知，只要小球下落的高度相同，在落地前运动的时间就相同，则小球的水平速度若用飞行时间做时间单位，在数值上就等于小球飞出的水平距离。0` M P N 所以只要测出小球的质量及两球碰撞前后飞出的水平距离，代入公式就可以验证动量守恒定律。即m1OP=m1OM+m2O′N。 主要测量的物理量： (1)入射球质量m1和被碰球质量m2。 (2)入射球和被碰球半径r。 (3)入射球平抛运动的水平位移OP，碰撞后两球的水平位移OM和O′N。 实验步骤： (1)用天平测量出小球质量m1和m2。 (2)安装好实验装置，将斜槽固定在桌边，使槽的末端点切线水平，把被碰小球放在斜槽前边的小支柱上，调节实验装置使小球碰时处于同一水平高度，且碰撞瞬间，入射球与被碰球的球心连线与轨道末端的切线水平，以确保正碰后的速度沿水平方向。 (3)在地上铺一张白纸，在白纸上铺放复写纸。 (4)在白纸上记下重垂线所指的位置O，它表示入射球m1碰前的位置。 (5)先不放被碰小球，让入射球从斜槽上同一高度处滚下，重复10次，用圆规画尽可能小的圆把所有的小球落点圈在里面，圆心就是入射球不碰时的落地点P。 (6)把被碰小球放在小支柱上，让入射小球从同一高度滚下，使它发生正碰，重复10次，仿步骤(5)求出入射小球落点平均位置M和被碰小球落点平均位置N。 (7)过O、N在纸上作一条直线，取OO′=2r，O′就是被碰小球碰撞时的球心投影位置。 (8)用刻度尺量出线段OM、OP、O′N的长度。把两小球的质量和相应的速度值带入m1OP=m1OM+m2O′N，看是否成立。 注意事项： (1)斜槽末端的切线必须水平。 (2)使小支柱与槽口的距离等于小球直径。 (3)认真调节小支柱的高度，使两小球碰撞时球心在同一高度上，球心连线与斜槽末端的延长线相平行。 (4)入射小球每次都必须从斜槽同一高度由静止释放。 (5)入射小球的质量应大于被碰球的质量。 (6)实验过程中实验桌、斜槽、记录的白纸的位置始终保持不变。 (7)若实验台过高，可把斜槽固定在铁架台上，白纸、复写纸铺在桌面上实验。 误差分析：实验所研究的过程是两个不同质量的球发生水平正碰，因此“水平”和“正碰”是操作中应尽量予以满足的前提条件。每次静止释放入射小球的释放点越高，两球相碰时内力越大，动量守恒的误差越小，应进行多次碰撞，落点取平均位置来确定，以减小偶然误差。 机械振动 8.1 简谐运动 振动图像 1、机械振动 实验仪器：钢板尺、铁架台、单摆、竖直弹簧振子、皮筋球 教师操作：演示振动 (1)一端固定的钢板尺 (2)单摆 (3)弹簧振子 (4)穿在橡皮绳上的塑料球 提出问题：这些物体的运动各不相同——运动轨迹是直线的、曲线的；运动方向水平的、竖直的；物体各部分运动情况相同的、不同的„„它们的运动有什么共同特征？ 实验归纳：物体振动时有一中心位置，物体(或物体的一部分)在中心位置两侧做往复运动，振动是机械振动的简称。 2、简谐运动 实验仪器：气垫弹簧振子(J2201)、微型气源(J2126) 教师操作：演示气垫弹簧振子的振动。 实验结论： ①滑块的运动是平动，可以看作质点。 ②弹簧的质量远远小于滑块的质量，可以忽略不计。 明确：一个轻质弹簧连接一个质点，弹簧的另一端固定，就构成了一个弹簧振子。 ③没有气垫时，阻力太大，振子不振动；有了气垫时，阻力很小，振子振动。 说明我们研究在没有阻力的理想条件下弹簧振子的运动。 教师操作：不给气垫供气，分析滑块在各处各量的值及变化。 实验结论： 振子的振动 对O点位移的方向和大小变化 回复力的方向和大小变化 加速度的方向和大小变化 速度的方向和大小变化 A O 向右 减小 向左 减小 向左 减小 向左 增大 O A′ 向左 增大 向右 增大 向右 增大 向左 减小 A′ O 向左 减小 向右 减小 向右 减小 向右 增大 O A 向右 增大 向左 增大 向左 增大 向右 减小 3、振幅 实验仪器：气垫弹簧振子(J2201)、微型气源(J2126)；音叉 教师操作：轻敲和重敲音叉，比较声音。 教师操作：把振子拉离到不同位置释放。 4、周期和频率与振幅的关系 实验仪器：两个劲度系数相差较大的弹簧振子、停表；音叉 教师操作：让两个弹簧振子开始振动，用停表或者脉搏计时，比较一下这两个振子的周期和频率。 实验结论：周期越小的弹簧振子，频率就越大；周期和频率都是表示振动快慢的物理量。两者的关系为： T=11 或 f= f T 教师操作：继续观察两个振子的运动,测出振子在不同情况下的周期.填下表: 振幅 (cm) 周期 (s) (表中数据仅供参考) 实验结论：同一个振子完成一次全振动所用时间是不变的,但振动的幅度可以调节。不同的振子,虽振幅可相同,但周期是不同的；简谐运动的周期或频率与振幅无关。 教师操作(引导学生注意听)：敲一下音叉,声音逐渐减弱,即振幅逐渐减小,但音调不发生变化,即频率不变。 实验结论：振子的周期(或频率)由振动系统本身的性质决定,称为振子的固有周期或固1 1.2 振子1 2 1.2 5 1.3 1 0.8 振子2 2 0.8 5 0.7 有频率。 5、简谐运动周期的测定 实验仪器：数字计时器(J0201-CC)、气垫导轨(J2125)、小型气源(J2126)、水平尺、滑快、挡光片、弹簧2根 教师操作： (1)在导轨两端盖上安装弹簧挂钩，并在滑行器的两端也安装弹簧挂钩，在滑行器中间位置安装挡光条，将两个弹簧如图挂在滑行器和两端盖之间。通气后滑行器将在弹簧的作用下做简谐运动。注意弹簧的长度和安装高度要合适，不要使它们收缩下垂时接触气轨表面。 (2)选择“T”计时方式，把一个光电门安装在气轨中部并和计时器连接好。打开气源，把滑行器向某端盖拉到最大位移处放手、滑行器开始做简谐运动。待运动平稳后，按一下“复位”键。计时器就自动计下多个周期及累加和。计算可得到一个周期(平均值)的时间。 6、沙摆 实验仪器：单摆振动图像演示器(J2222)、电池AA(3节) 教师操作：塑料薄膜不动，让沙摆振动。 实验现象： (1)、沙在塑料薄膜上来回划出一条直线，说明振动物体仅仅只在平衡位置两侧来回运动，但由于各个不同时刻的位移在塑料薄膜上留下的痕迹相互重叠而呈现为一条直线。 (2)、沙子堆砌在一条直线上，堆砌的沙子堆，沙子不是均匀分布的，中央部分(即平衡位置处)堆的少，在摆的两个静止点下方，沙子堆的多，因为摆在平衡位置运动的最快。 实验结论：质点做的是直线运动，但它每时刻的位移都有所不同。 教师操作：起动开关，让塑料薄膜匀速运动，同时让沙摆振动。 实验现象：原先成一条直线的痕迹展开成一条曲线。 7、简谐运动图像研究 实验仪器：简谐振动投影演示器(2220)、软笔、铅笔、刻度尺、墨水 教师操作：将软笔汲满墨水，固定在笔杆上；使圆盘逆时针旋转，矢量端点随着圆盘作圆周运动，从而推动振动架作左右振动，固定在其上的投影点也作左右振动，同时卷纸筒不断地将纸往上卷，固定在振动架上的笔杆和软笔在纸上便画出振动图像来。 数据处理：在纸上画出坐标，研究图像。 8.2 单摆 1、等时性(单摆振动周期与振幅无关) 实验仪器：铁球2个、细线2条、标志旗(红纸制作) 教师操作：摆长摆球完全相同的两个单摆，从不同位置(振幅不同)释放。 实验现象：两个摆球每次都同时经过标志旗(最低点)。 2、周期与摆球质量的关系 实验仪器：铁球2个(质量不同)、细线2条、标志旗(红纸制作) 教师操作：摆长相同，摆球不同的两个单摆，从同一位置释放(振幅相同)。 实验现象：两个摆球每次都同时经过标志旗(最低点)。 3、周期与摆长的关系 实验仪器：铁球2个、细线2条、标志旗(红纸制作) 教师操作：摆长不同，摆球相同的两个单摆，从同一位置释放(振幅相同)。 实验现象：两个摆球不能同时通过标志旗(最低点)，摆长短的振动快。 4、单摆的周期 实验仪器：数字计时器(J0201-CC)、铁架台、米尺、挡光片(钥匙)、铁球、细线 教师操作：数字计时器选择T；光电门尽量对准挡光片底端；量出摆长；使单摆振动，摆动10次停止计时，求出周期；改变摆长的长度，重复上述实验。 1 2 3 l T 数据处理：研究摆长与周期的关系。 实验结论：T∝l 5、用单摆测定重力加速度(学生实验) 实验仪器：带孔小钢球、细线(约1m长)、铁架台、停表、米尺、游标卡尺 实验目的： (1)学会用单摆测定当地的重力加速度。 (2)能正确熟练的使用停表。 实验原理：单摆做简谐运动时，其周期为T=2πl4πl，有g=2,因此gT2测出单摆的摆长和振动周期T，就可以求出当地的重力加速度的值。 学生操作： (1)做单摆，取约1m长线绳穿过带孔的小钢球，并打结，然后拴在桌边的支架上。 (2)用米尺量出悬线长l，准确到毫米，用游标卡尺测出小球直径，算出r，也准确到毫米，则摆长为l+r。 (3)把单摆从平衡位置拉开一个角度(小于10°)放开它，用停表测单摆完成30次全振动所用时间，求出完成一次全振动所需的时间。反复测量三次，再算出测得周期值的平均值。 数据处理：根据公式，计算出重力加速度g。 摆长(l+r)(m) 周期(T)(s) 重力加速度(g)(m/s) 2标准重力加速度(g0)( m/s) 2注意事项： (1)摆线应选择细而不易伸长的线，长度一般不应短于1m；小球应选用密度较大的金属球，直径应较小。 (2)计时应选在平衡位置。 t(3)用累计法测周期，应在启动停表同时数零，以后数1、2、3„„n次，则T= 。 nlg22(4)可用l-T图像处理数据，斜率k=2=2,即g=4πk。 T4π8.3 振动中的能量转化 受迫振动和共振 1、简谐运动的能量 实验仪器：气垫弹簧振子(J2201)、微型气源(J2126)；单摆 教师操作：把弹簧振子的振子向右移动至A点，然后释放，则振子在弹性力作用下，在平衡位置附近持续地沿直线振动起来；再次演示上面的振动，只是让起始位置明显地靠近平衡位置；画出两次振动的图像Ⅰ和Ⅱ，应同频、同相、振幅不同。 单摆的摆球被拉伸到某一位置后所做的简谐运动。 实验结论： 振子的运动 动能 能量的变化 势能 总能 单摆的运动 动能 能量的变化 势能 总能 A→O 增大 减少 不变 O→A′ 减少 增大 不变 A′→O 增大 减少 不变 O→A 减少 增大 不变 A→O 增大 减少 不变 O→A′ 减少 增大 不变 A′→O 增大 减少 不变 O→A 减少 增大 不变 简谐运动是理想化的振动，振动过程中系统的能量守恒； 系统的能量与振幅有关，振幅越大，能量越大. 2、共振 实验仪器：摆的共振演示器 教师操作：在一根绷紧的绳上挂几个单摆，其中A、D球的摆长相等。当使A摆动起来后，A球的振动通过张紧的绳给其余各摆施加周期性的驱动力，经一段时间后，它们都会振动起来。驱动力的频率等于A摆的频率。 实验现象：在A摆多次摆动后，各球都将以A球的频率振动起来，但振幅不同，固有频率与驱动力频率相等的D球的振幅最大，而频率与驱动力频率相差最大的C球的振幅最小。 实验结论：驱动力的频率跟物体的固有频率相等时，振幅最大，这种现象叫共振。 3、共鸣 共振音叉(2个) 教师操作：两频率相等的音叉共鸣。 机械波 9.1 机械波 波的图像 1、机械波的产生条件 实验仪器：长绳；发波水槽(J05205) 教师操作：用手握住绳子的一端上下抖动，就会看到凸凹相间的波向绳的另一端传播出去，形成绳波。 教师操作：水波——将单振子固定在承接块上，打开电源开关，溴乌灯亮，遮光叶轮转动，振杆振动，屏幕上即显示水波图像。 2、波的种类 实验仪器：波动演示器(J2203) 波动演示器：装置全长约800mm，高250mm。偏心轮组分别由19只偏心轮组成。轮轴向上移时，偏心轮轴每转30°，前一偏心轮依次带动后一偏心轮，利用偏心轮和波动水平帘衔合，它能缓慢的演示横波、纵波的形成过程。 横波水平帘由37根横波杆组成，利用钢带扭转切变来传播横波，钢带扭转切变采取特殊装置，水平帘转动惯量大，钢带切变形量小，因此波速转慢缓，约每秒0.6米以下，能让学生清晰地观察真正的机械波，纵波水平帘由18根纵波杆组成，利用弹簧拉压体变来传播纵波，它能量消耗小，能使波来回反射，波速约每秒0.5米以下。 教师操作：演示横波形成过程、纵波形成过程。 3、波动图像性质 实验仪器：波动图像演示仪(J2219) 教师操作：将12V直流电源连接于右下角接线柱上，红端为正极，黑端为负极；打开电1源开关，以传播时间为周期递增自动循环现实波的传播，同时显示质点离开平衡位置运动4T的趋向，共显示九帧波形图像；按下暂停键静态显示每一帧波形图像。 4、波长、频率和波速 实验仪器：波动图像演示仪(J2219) 9.2 波的性质 波的特征及声波 1、水波的反射 实验仪器：发波水槽(J05205) 发波水槽： (1)构造 发波水槽主要由壳体、水槽、振动源及光源等组成。 ①水槽是用底部装有密封、透明玻璃的不锈钢盘制成。 壳体用金属材料制成，上面放置水槽，正面竖直安装毛玻璃，作为水波投影屏幕，框架内部倾斜45°装有平面镜，用来反射水面的影像到屏幕上，底部装有变压电源，后面装有一立杆，立杆上端装光源盒，中部装振源盒，在立杆的中部装有长槽孔，用来调节振源盒的高度。 ②振源是由电磁铁、电位器、振杆、振子、主板等组成。 ③光源为盒式机械遮挡频闪光源，灯泡为12V 100W幻灯机溴乌灯。盒的顶部开有散热窗。 ④水槽发波附件为单振子、双振子、平面波振子及挡板2块。 (2)准备工作： ①在水槽内注3～8mm深的清水。充分湿润水槽四边壁及实验用的附件。 ②将发波所需的振子固定在承接块上，调节振源盒高度，使振子插入水面1～2mm。 ③先把光源电源插头，直流电源插头及振源插头插入座，再插上输入电源插头。 教师操作：使水波通过缝，向前传播，在传播路径上斜放一块长挡板，水波发生反射，改变了传播方向。 2、水波的衍射 实验仪器：发波水槽(J05205) 教师操作：观察水槽中水波的传播，圆形的水波向外扩散，越来越大；在水槽中放入一个不大的障碍屏，观察水波绕过障碍屏传播的情况；在水槽中放入一个有孔的障碍屏，水波通过孔后也会发生衍射现象。 教师操作：在不改变波源的条件下，将障碍屏的孔由较大逐渐变小，可以看到波的衍射现象越来越明显，由此得出结论，障碍物越小，衍射现象越明显；在不改变障碍孔的条件下，使水波的波长逐渐变大或逐渐变小，可以看到，当波长越大时，波的衍射现象越明显，由此指出，当障碍物的大小与波长相差不多时，波的衍射现象较明显。 实验结论：波发生明显衍射的条件——障碍物或孔的大小比波长小，或者与波长相差不多。 3、波的叠加 实验仪器：波的合成演示器(J2223)、振动合成演示器(J2213-1) 教师操作：同频不同幅的两列波的合成(J2223)——把“复位”开关和“暂停”开关置ON，其余开关置OF，接好电源直流12V，然后合上电源开关；合上“A波”开关，再把“复位”“暂停”开关置OF，可在屏幕上看到“A波”在四个象限上的波形，产生波动图像，然后把“A波”开关置OF，把“B波”开关置ON，在屏幕上显示“B波”的波动图像；把“A波”“B波”“A+B波”开关都置ON，再把“复位”“暂停”开关置OF，可在屏幕上看到三列波的波动图像，波幅最大的波为“A波”和“B波”的合成。 教师操作：在(J2213-1)插入不同的波形板对显示质点振动的直柱实行垂直上下运动，实现图像的变化。 4、水波的干涉 实验仪器：发波水槽(J05205) 教师操作：引导观察水槽中的水波的干涉，分清哪些区域为振动加强的区域，哪些区域为振动减弱的区域。 5、多普勒效应 实验仪器：发波水槽(J05205) 教师操作：使点波源振动、移动，观察波形。 本文来源：https://www.dywdw.cn/707dc83d856fb84ae45c3b3567ec102de2bddf63.html
下载此文档
搜索文档
阅读：
文档下载
2022-07-09
