1．對(duì)基本實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新與改造

對(duì)考試大綱規(guī)定的力學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本類型進(jìn)行改造與創(chuàng)新，就是對(duì)基本實(shí)驗(yàn)的原理、方法步驟、儀器器材、數(shù)據(jù)處理方法等環(huán)節(jié)進(jìn)行改造與創(chuàng)新。而改造與創(chuàng)新的常用方法就是替換與簡(jiǎn)化。

例1．（2011年全國(guó)課標(biāo)卷）利用圖1所示的裝置可測(cè)量滑塊在斜面上運(yùn)動(dòng)的加速度。一斜面上安裝有兩個(gè)光電門(mén)，其中光電門(mén)乙固定在斜面上靠近底端處，光電門(mén)甲的位置可移動(dòng)，當(dāng)一帶有遮光片的滑塊自斜面上滑下時(shí)，與兩個(gè)光電門(mén)都相連的計(jì)時(shí)器可以顯示出遮光片從光電門(mén)甲至乙所用的時(shí)間t。改變光電門(mén)甲的位置進(jìn)行多次測(cè)量，每次都使滑塊從同一點(diǎn)由靜止開(kāi)始下滑，并用米尺測(cè)量甲、乙之間的距離s，記下相應(yīng)的t值；所得數(shù)據(jù)如下表所示。

完成下列填空和作圖：

（1）若滑塊所受摩擦力為一常量，滑塊加速度的大小a、滑塊經(jīng)過(guò)光電門(mén)乙時(shí)的瞬時(shí)速度v_t測(cè)量值s和t四個(gè)物理量之間所滿足的關(guān)系式是_______；

（2）根據(jù)表中給出的數(shù)據(jù)，在圖2給出的坐標(biāo)紙上畫(huà)出圖線；

解析：（1）由于摩擦力恒定，因此滑塊沿斜面的運(yùn)動(dòng)是勻加速直線運(yùn)動(dòng)，故有：，。解得：。因此，。

（2）由可知，建立圖象，圖象的斜率絕對(duì)值等于加速度的一半，即。由表中數(shù)據(jù)作出圖象如圖2所示，可求得：a=2.00m/s²。

【點(diǎn)評(píng)】本題是對(duì)“紙帶法”測(cè)加速度這一測(cè)量加速度的基本實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新與改造。運(yùn)用光電門(mén)代替了基本實(shí)驗(yàn)中的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，滑塊重力沿斜面的分力代替了沙桶沙桶的重力，運(yùn)用圖象代替了推論得出加速度。是對(duì)基本實(shí)驗(yàn)從實(shí)驗(yàn)原理、儀器器材、數(shù)據(jù)處理三個(gè)方面的替換，這種替換，使實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程更簡(jiǎn)單方便，而且實(shí)驗(yàn)誤差也減小。

2．分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論

分析論證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，是物理實(shí)驗(yàn)的目的，是實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程的最后一步。近年來(lái)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)試題中，這也是一種常見(jiàn)的類型。數(shù)據(jù)處理，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最常用的方法就是依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理建立與所測(cè)量有關(guān)的兩個(gè)量之間的線性圖象，利用圖象的斜率、截距得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

例2．（2010年江蘇物理-11）為了探究受到空氣阻力時(shí)，物體運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間的變化規(guī)律，某同學(xué)采用了“加速度與物體質(zhì)量、物體受力關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置（如圖3所示）。實(shí)驗(yàn)時(shí)，平衡小車與木板之間的摩擦力后，在小車上安裝一薄板，以增大空氣對(duì)小車運(yùn)動(dòng)的阻力。

（1）往砝碼盤(pán)中加入一小砝碼，在釋放小車__    __（填選“之前”或“之后”）接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源，在紙帶上打出一系列的點(diǎn)。

（2）從紙帶上選取若干計(jì)數(shù)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，得出各計(jì)數(shù)點(diǎn)的時(shí)間t與速度v的數(shù)據(jù)如下表：

請(qǐng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出小車的v-t圖象。

（3）通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，該同學(xué)認(rèn)為：隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加，小車所受的空氣阻力將變大。你是否同意他的觀點(diǎn)？請(qǐng)根據(jù)v-t圖象簡(jiǎn)要闡述理由。

解析：本題以探究運(yùn)動(dòng)物體所受空氣阻力與速度的關(guān)系實(shí)驗(yàn)為背景，考查對(duì)基本實(shí)驗(yàn)（探究加速度與力的關(guān)系）變通與創(chuàng)新的能力。

實(shí)驗(yàn)原理是牛頓第二定律。利用題中數(shù)據(jù)可建立v-t圖象，由v-t圖象可得到不同速度時(shí)的加速度，再由牛頓第二定律可得到不同速度時(shí)的空氣阻力，這就可以直到空氣阻力與速度的關(guān)系。

（1）由于紙帶長(zhǎng)度有限，為了能在有限長(zhǎng)度的紙帶上打出更多可用的點(diǎn)，應(yīng)該先接通電源再釋放紙帶。

（2）合理選取坐標(biāo)刻度，盡可能使圖象“充滿”坐標(biāo)平面，利用題中所給數(shù)據(jù)描點(diǎn)連線，得到小車的v-t圖象如圖4所示。

（3）由小車的v-t圖象可知，隨小車速度的增大，其加速度（圖象斜率）變小，由牛頓第二定律可知，小車所受合外力隨速度增大而減小。由于小車所受拉力大小一定，摩擦力已平衡掉，所以合力減小必是由空氣阻力增大引起的。所以，隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加，小車所受的空氣阻力將變大。該同學(xué)的觀點(diǎn)正確。

【點(diǎn)評(píng)】利用實(shí)驗(yàn)原理，建立線性圖象，利用圖象的性質(zhì)、截距、斜率得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，既簡(jiǎn)單又精確。

3．實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)或論證

依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理，選擇儀器器材，確定實(shí)驗(yàn)方案與操作步驟，是物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本思路，對(duì)初步設(shè)計(jì)的方案的科學(xué)性、可行性進(jìn)行論證，進(jìn)一步簡(jiǎn)化操作過(guò)程，提高實(shí)驗(yàn)精度，是實(shí)驗(yàn)成功的保證。

例3．（2010年安徽理綜-21-Ⅲ）利用圖5所示裝置進(jìn)行驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要測(cè)量物體由靜止開(kāi)始自由下落到某點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度v和下落高度h。某班同學(xué)利用實(shí)驗(yàn)得到的紙帶，設(shè)計(jì)了以下四種測(cè)量方案：

a．用刻度尺測(cè)出物體下落的高度h，并測(cè)出下落時(shí)間t。通過(guò)v=gt計(jì)算出瞬時(shí)速度v。

b．用刻度尺測(cè)出物體下落的高度h，并通過(guò)計(jì)算出瞬時(shí)速度v。

c．根據(jù)做勻變速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)紙帶上某點(diǎn)的瞬時(shí)速度，等于這點(diǎn)前后相鄰兩點(diǎn)間的平均速度，測(cè)算出瞬時(shí)速度v，并通過(guò)計(jì)算出高度h。

d．用刻度尺測(cè)出物體下落的高度h，根據(jù)做勻變速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)紙帶上某點(diǎn)的瞬時(shí)速度，等于這點(diǎn)前后相鄰兩點(diǎn)間的平均速度，測(cè)算出瞬時(shí)速度v。以上方案中只有一種正確，正確的是       。（填入相應(yīng)的字母）

解析：由于重錘質(zhì)量較大，可以忽略運(yùn)動(dòng)中的阻力（空氣對(duì)重錘的阻力及紙帶所受阻力），重錘的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，滿足機(jī)械能守恒的條件。為方便測(cè)量與計(jì)算，通常選落體開(kāi)始時(shí)刻與其后打出某點(diǎn)的時(shí)刻這一過(guò)程作為研究對(duì)象，利用做勻變速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)紙帶上某點(diǎn)的瞬時(shí)速度，等于這點(diǎn)前后相鄰兩點(diǎn)間的平均速度，測(cè)算出瞬時(shí)速度v，可以計(jì)算出從落體開(kāi)始到后一時(shí)刻重錘增加的動(dòng)能。用刻度尺測(cè)出紙帶上的第一點(diǎn)到所選后一點(diǎn)的距離，可以算出重錘減少的重力勢(shì)能。由于不涉及彈性勢(shì)能，若重錘增加的動(dòng)能與減少的重力是能接近，就可證實(shí)在只有重力做功的情況下，機(jī)械能守恒。因此，正確的方案是d。

【點(diǎn)評(píng)】實(shí)驗(yàn)方案論證，一是考方案的科學(xué)性，要求實(shí)驗(yàn)原理符合相關(guān)物理規(guī)律；二是可行性，要求需要測(cè)量的物理量用實(shí)驗(yàn)提供的儀器器材能夠測(cè)量出來(lái)；三是實(shí)驗(yàn)過(guò)程的簡(jiǎn)化，即實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程盡量使用較少的儀器器材、較少的操作步驟；四是實(shí)驗(yàn)的精度，即盡量減小測(cè)量誤差。

4．儀器器材的選擇及誤差分析

依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，合理選擇儀器器材，合理控制誤差，保證一定的實(shí)驗(yàn)精度是物理實(shí)驗(yàn)的基本功。儀器器材的選擇，一要操作與使用簡(jiǎn)單，二要保證儀器器材不損壞，三是保證一定的實(shí)驗(yàn)精度。誤差的分析，一是誤差的產(chǎn)生環(huán)節(jié)及產(chǎn)生原因剖析，二是如何減小和控制誤差的方法與舉措。

例4．（2010年全國(guó)課標(biāo)卷-22）圖5為驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖?，F(xiàn)有的器材為：帶鐵夾的鐵架臺(tái)、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、帶鐵夾的重錘、天平。回答下列問(wèn)題：

（1）為完成此實(shí)驗(yàn)，除了所給的器材，還需要的器材有     。（填入正確選項(xiàng)前的字母）

A．米尺；B．秒表；   C．0~12V的直流電源    D．0~12V的交流電源

（2）實(shí)驗(yàn)中誤差產(chǎn)生的原因有          。（寫(xiě)出兩個(gè)原因）

解析：（1）由于是利用“紙帶法”測(cè)速度，實(shí)驗(yàn)器材中，缺少的是低壓交流電源。本題選D。

（2）在不涉及彈性是能的情況下，機(jī)械能守恒的條件是只有重力做功。本實(shí)驗(yàn)中由于空氣阻及紙帶所受阻力均做功，重錘減少的重力勢(shì)能大于增加的動(dòng)能，使二者不嚴(yán)格相等。實(shí)驗(yàn)要求打點(diǎn)時(shí)刻與落體開(kāi)始時(shí)刻吻合，操作中兩時(shí)刻不嚴(yán)格吻合，也會(huì)帶來(lái)誤差。在用刻度處測(cè)量紙帶上相應(yīng)點(diǎn)間的距離時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)誤差。因此實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)誤差的主要原因有：重錘及紙帶的阻力，落體開(kāi)始時(shí)刻與打點(diǎn)開(kāi)始時(shí)刻不吻合，刻度尺測(cè)距離的誤差。

【點(diǎn)評(píng)】選擇儀器器材的依據(jù)是實(shí)驗(yàn)原理及試題中的相關(guān)提示信息；誤差產(chǎn)生的分析，一是依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，二是實(shí)驗(yàn)步驟。