高二物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)手冊(cè)前言物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)。力學(xué)作為物理學(xué)的基石，其概念的建立、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和理論的完善，都與實(shí)驗(yàn)緊密相連。本實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)手冊(cè)旨在引導(dǎo)高二學(xué)生通過(guò)親自動(dòng)手操作，深化對(duì)力學(xué)基本概念和規(guī)律的理解，掌握力學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本技能和研究方法，培養(yǎng)觀察能力、分析能力、動(dòng)手能力以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和創(chuàng)新意識(shí)。本手冊(cè)精選了高中力學(xué)部分核心且具有代表性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，內(nèi)容涵蓋運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、機(jī)械能、動(dòng)量等重要領(lǐng)域。每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均包含實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)記錄與處理、注意事項(xiàng)及思考題等模塊，力求條理清晰、指導(dǎo)性強(qiáng)，希望能成為同學(xué)們實(shí)驗(yàn)路上的良師益友。請(qǐng)同學(xué)們?cè)趯?shí)驗(yàn)前務(wù)必認(rèn)真預(yù)習(xí)，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，理解?shí)驗(yàn)原理，熟悉操作步驟；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要仔細(xì)觀察，規(guī)范操作，如實(shí)記錄，積極思考；實(shí)驗(yàn)后及時(shí)整理數(shù)據(jù)，分析結(jié)果，撰寫報(bào)告。一、實(shí)驗(yàn)預(yù)備知識(shí)與安全守則1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c意義力學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的目的在于：*驗(yàn)證和鞏固課堂所學(xué)的力學(xué)基本概念和規(guī)律，如勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、機(jī)械能守恒定律、動(dòng)量守恒定律等。*學(xué)習(xí)和掌握基本力學(xué)儀器的使用方法，如打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、天平和砝碼、彈簧測(cè)力計(jì)、游標(biāo)卡尺、螺旋測(cè)微器、氣墊導(dǎo)軌、單擺等。*培養(yǎng)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，包括正確讀取和記錄數(shù)據(jù)、運(yùn)用有效數(shù)字處理數(shù)據(jù)、繪制規(guī)范的實(shí)驗(yàn)圖像、分析實(shí)驗(yàn)誤差并提出改進(jìn)建議的能力。*激發(fā)對(duì)物理現(xiàn)象的探究興趣，培養(yǎng)實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。1.2實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫要求一份完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包含以下幾個(gè)主要部分：*實(shí)驗(yàn)名稱：明確本次實(shí)驗(yàn)的主題。*實(shí)驗(yàn)日期、地點(diǎn)、合作者：記錄實(shí)驗(yàn)的基本信息。*實(shí)驗(yàn)?zāi)康模汉?jiǎn)述本次實(shí)驗(yàn)希望達(dá)成的目標(biāo)。*實(shí)驗(yàn)原理：用文字和公式簡(jiǎn)要闡述實(shí)驗(yàn)所依據(jù)的物理原理。*實(shí)驗(yàn)器材：列出實(shí)驗(yàn)所用的主要儀器和用具，注明規(guī)格或型號(hào)（如有必要）。*實(shí)驗(yàn)步驟：清晰、扼要地描述實(shí)驗(yàn)操作的主要過(guò)程，可輔以簡(jiǎn)圖說(shuō)明。*數(shù)據(jù)記錄與處理：設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)表格記錄原始數(shù)據(jù)；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析，必要時(shí)繪制圖像，并根據(jù)數(shù)據(jù)或圖像得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。注意有效數(shù)字的規(guī)范使用。*誤差分析：分析實(shí)驗(yàn)中可能存在的誤差來(lái)源，并討論其對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，提出可能的改進(jìn)措施。*實(shí)驗(yàn)結(jié)論：簡(jiǎn)明扼要地總結(jié)實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果，是否達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?思考題：回答手冊(cè)中提出的相關(guān)思考題，或記錄實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及自己的見解。1.3實(shí)驗(yàn)室安全守則為確保實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行和人身安全，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后必須嚴(yán)格遵守以下規(guī)定：*實(shí)驗(yàn)前務(wù)必認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，明確操作規(guī)程，了解儀器性能及安全注意事項(xiàng)。*禁止在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)追逐打鬧、大聲喧嘩，保持實(shí)驗(yàn)室安靜整潔。*實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)穿著合體的衣物，不穿拖鞋、高跟鞋，長(zhǎng)發(fā)應(yīng)束起。*嚴(yán)禁用手觸摸儀器的帶電部分、高溫部分或尖銳邊緣。使用電源時(shí)，注意電壓等級(jí)，防止短路和觸電。*操作儀器時(shí)，應(yīng)輕拿輕放，嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行，不得隨意拆卸、改裝儀器。*使用天平時(shí)，待測(cè)物體質(zhì)量不得超過(guò)天平量程，加減砝碼須用鑷子。*進(jìn)行可能產(chǎn)生有害氣體或飛濺物的實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)在通風(fēng)櫥內(nèi)或采取相應(yīng)防護(hù)措施。*實(shí)驗(yàn)過(guò)程中如發(fā)生意外（如儀器損壞、火災(zāi)、觸電等），應(yīng)立即停止實(shí)驗(yàn)，報(bào)告老師并采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)急措施。*實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)整理好實(shí)驗(yàn)器材，關(guān)閉電源、水源，清理實(shí)驗(yàn)臺(tái)面，經(jīng)老師檢查后方可離開實(shí)驗(yàn)室。二、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能2.1常用測(cè)量?jī)x器的讀數(shù)與使用2.1.1刻度尺*使用方法：觀察刻度尺的量程和分度值。測(cè)量時(shí)，刻度線應(yīng)緊貼被測(cè)物體，起始端從零刻度線或某一清晰刻度線開始，讀數(shù)時(shí)視線應(yīng)與尺面垂直。*讀數(shù)：應(yīng)估讀到分度值的下一位。例如，分度值為1mm的刻度尺，讀數(shù)應(yīng)精確到0.1mm。2.1.2游標(biāo)卡尺*構(gòu)造：主要由主尺和游標(biāo)尺（副尺）構(gòu)成。常見的游標(biāo)卡尺有10分度、20分度和50分度三種。*使用方法：將被測(cè)物體夾在兩測(cè)量爪之間，松緊適度。*讀數(shù)：物體長(zhǎng)度=主尺讀數(shù)（游標(biāo)尺零刻度線對(duì)應(yīng)的主尺刻度）+游標(biāo)尺讀數(shù)（與主尺某刻度線對(duì)齊的游標(biāo)尺刻度線序數(shù)×分度值）。注意，游標(biāo)卡尺不需要估讀。2.1.3螺旋測(cè)微器（千分尺）*構(gòu)造：由固定刻度、可動(dòng)刻度（微分筒）、測(cè)微螺桿、測(cè)力裝置等組成。*使用方法：旋轉(zhuǎn)粗調(diào)旋鈕，當(dāng)測(cè)微螺桿接近被測(cè)物體時(shí)，改用微調(diào)旋鈕，聽到“咔嗒”聲后停止。*讀數(shù)：物體長(zhǎng)度=固定刻度讀數(shù)（注意半毫米刻度線是否露出）+可動(dòng)刻度讀數(shù)（可動(dòng)刻度線與固定刻度水平線對(duì)齊的格數(shù)×0.01mm）。螺旋測(cè)微器需要估讀到0.001mm。2.1.4打點(diǎn)計(jì)時(shí)器*種類：電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器（使用低壓交流電源，頻率通常為50Hz，每隔0.02s打一個(gè)點(diǎn)）和電火花計(jì)時(shí)器（使用220V交流電源，打點(diǎn)頻率亦為50Hz，誤差較?。?使用方法：將紙帶穿過(guò)限位孔，復(fù)寫紙（電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器）或墨粉紙盤（電火花計(jì)時(shí)器）套在定位軸上。接通電源，待打點(diǎn)穩(wěn)定后再釋放紙帶。*紙帶分析：紙帶上的點(diǎn)跡記錄了物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間和位置信息?？衫弥鸩罘ㄓ?jì)算加速度，利用平均速度近似等于中間時(shí)刻瞬時(shí)速度的方法計(jì)算某點(diǎn)的瞬時(shí)速度。2.1.5彈簧測(cè)力計(jì)*使用方法：觀察量程和分度值，檢查指針是否指零，必要時(shí)進(jìn)行調(diào)零。測(cè)量時(shí)，拉力方向應(yīng)與彈簧軸線一致，避免與外殼摩擦。讀數(shù)時(shí)，視線應(yīng)與刻度盤垂直。2.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄與處理*數(shù)據(jù)記錄：應(yīng)使用規(guī)定的表格，記錄數(shù)據(jù)要真實(shí)、準(zhǔn)確、完整，并有單位。原始數(shù)據(jù)不得隨意涂改，如有錯(cuò)誤，應(yīng)在錯(cuò)誤數(shù)據(jù)上畫一橫線，在其上方寫上正確數(shù)據(jù)。*有效數(shù)字：測(cè)量結(jié)果的有效數(shù)字位數(shù)應(yīng)與儀器的精度相匹配。運(yùn)算過(guò)程中，可適當(dāng)保留多余位數(shù)，最后結(jié)果應(yīng)按規(guī)則修約。*數(shù)據(jù)處理方法：*公式法：直接代入公式計(jì)算。*圖像法：將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成圖像（如v-t圖像、a-F圖像等），利用圖像的斜率、截距等獲取物理信息。作圖時(shí)，應(yīng)選取合適的標(biāo)度，使圖像分布合理，并用平滑曲線（或直線）連接數(shù)據(jù)點(diǎn)，不要求所有點(diǎn)都在曲線上，但應(yīng)使點(diǎn)均勻分布在曲線兩側(cè)。三、力學(xué)核心實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一：研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.練習(xí)使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，學(xué)習(xí)利用紙帶研究物體的運(yùn)動(dòng)。2.掌握判斷物體是否做勻變速直線運(yùn)動(dòng)的方法。3.會(huì)利用紙帶測(cè)量勻變速直線運(yùn)動(dòng)的加速度和某時(shí)刻的瞬時(shí)速度。二、實(shí)驗(yàn)原理1.打點(diǎn)計(jì)時(shí)器每隔固定時(shí)間（T=0.02s）打一個(gè)點(diǎn)，紙帶上的點(diǎn)跡反映了物體在不同時(shí)刻的位置。2.若物體做勻變速直線運(yùn)動(dòng)，則連續(xù)相等時(shí)間間隔內(nèi)的位移之差為恒量，即Δx=aT2。利用逐差法可以更精確地計(jì)算加速度：a=[(x?+x?+x?)-(x?+x?+x?)]/(3T)2。3.勻變速直線運(yùn)動(dòng)中，某段時(shí)間內(nèi)的平均速度等于該段時(shí)間中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度，即v?=(x?+x???)/(2T)。三、實(shí)驗(yàn)器材打點(diǎn)計(jì)時(shí)器（電磁式或電火花式）、低壓交流電源（若使用電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器）、紙帶、一端附有定滑輪的長(zhǎng)木板、小車、細(xì)繩、鉤碼、刻度尺、導(dǎo)線若干。四、實(shí)驗(yàn)步驟1.如圖所示，將長(zhǎng)木板平放在實(shí)驗(yàn)桌上，在帶定滑輪的一端下面墊一塊薄木板，使木板略微傾斜，以平衡小車所受摩擦力（可輕推小車，觀察其是否能在紙帶上打出間距基本均勻的點(diǎn)）。2.將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在長(zhǎng)木板無(wú)滑輪的一端，連接好電源。3.把紙帶穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔，一端固定在小車的后面，使小車靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器。4.用細(xì)繩一端拴住小車，另一端跨過(guò)定滑輪掛上適量的鉤碼。5.先接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源，待打點(diǎn)穩(wěn)定后，再釋放小車，讓其拖著紙帶運(yùn)動(dòng)。6.實(shí)驗(yàn)結(jié)束，立即關(guān)閉電源，取下紙帶。7.更換紙帶，改變鉤碼數(shù)量（或改變小車質(zhì)量），重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，多做幾次。五、數(shù)據(jù)記錄與處理1.選取一條點(diǎn)跡清晰、分布合理的紙帶，舍掉開頭一些過(guò)于密集的點(diǎn)，在后面便于測(cè)量的地方找一個(gè)起始點(diǎn)O，依次選取計(jì)數(shù)點(diǎn)A、B、C、D、E、F……，并標(biāo)明各計(jì)數(shù)點(diǎn)間的間隔數(shù)n（通常每5個(gè)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，此時(shí)T=0.1s）。2.用刻度尺測(cè)量各計(jì)數(shù)點(diǎn)到起始點(diǎn)O的距離，記為x?、x?、x?、x?……，并計(jì)算出相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離x?=x?-x?，x?=x?-x?，x?=x?-x?……3.計(jì)算瞬時(shí)速度：根據(jù)v?=(x?+x???)/(2T)，計(jì)算各計(jì)數(shù)點(diǎn)的瞬時(shí)速度，填入表格。4.計(jì)算加速度：*逐差法：將紙帶分成兩大段，如x?、x?、x?為第一段，x?、x?、x?為第二段，則a=[(x?+x?+x?)-(x?+x?+x?)]/(9T2)。*圖像法：以速度v為縱軸，時(shí)間t為橫軸建立直角坐標(biāo)系，根據(jù)計(jì)算出的各計(jì)數(shù)點(diǎn)速度值描點(diǎn)，并用平滑的直線連接這些點(diǎn)（使盡可能多的點(diǎn)落在直線上，不在直線上的點(diǎn)均勻分布在直線兩側(cè)）。該直線的斜率即為小車運(yùn)動(dòng)的加速度。5.記錄并處理數(shù)據(jù)，計(jì)算加速度的平均值（若采用多次測(cè)量）。六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1.實(shí)驗(yàn)前要平衡摩擦力，這是保證小車在鉤碼拉力作用下做勻加速直線運(yùn)動(dòng)的前提。2.打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)固定牢固，避免實(shí)驗(yàn)過(guò)程中晃動(dòng)。3.實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)先接通電源，待打點(diǎn)穩(wěn)定后再釋放小車，以保證紙帶開頭部分點(diǎn)跡清晰。4.釋放小車時(shí)，應(yīng)使小車從靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器處開始運(yùn)動(dòng)。5.選取計(jì)數(shù)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)選擇點(diǎn)跡清晰的部分，且各計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔應(yīng)相等。6.測(cè)量距離時(shí)，應(yīng)一次測(cè)量到位，避免累積誤差。七、思考題1.為什么要平衡摩擦力？如果沒有平衡摩擦力或平衡過(guò)度，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果（加速度的計(jì)算）有何影響？2.紙帶上的點(diǎn)跡有時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩端密集、中間稀疏的情況，這是什么原因造成的？3.除了逐差法和圖像法，你還能想到其他計(jì)算加速度的方法嗎？比較不同方法的優(yōu)劣。實(shí)驗(yàn)二：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系（驗(yàn)證牛頓第二定律）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.探究物體加速度與合外力的關(guān)系。2.探究物體加速度與質(zhì)量的關(guān)系。3.驗(yàn)證牛頓第二定律F=ma。二、實(shí)驗(yàn)原理1.實(shí)驗(yàn)思想：采用控制變量法。*保持小車質(zhì)量M不變，改變鉤碼的質(zhì)量m（即改變對(duì)小車的拉力F），測(cè)量小車的加速度a，研究a與F的關(guān)系。*保持鉤碼的質(zhì)量m不變（即保持拉力F近似不變），改變小車的質(zhì)量M，測(cè)量小車的加速度a，研究a與M（或1/M）的關(guān)系。2.拉力近似條件：當(dāng)鉤碼質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量M時(shí)，鉤碼的重力mg近似等于小車所受的合外力F，即F≈mg。3.加速度測(cè)量：同實(shí)驗(yàn)一，利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶，通過(guò)逐差法或圖像法計(jì)算小車的加速度a。三、實(shí)驗(yàn)器材打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、低壓交流電源（或220V交流電源）、紙帶、一端附有定滑輪的長(zhǎng)木板、小車、細(xì)繩、鉤碼（若干）、托盤、天平（帶砝碼）、刻度尺、砝碼（用于改變小車質(zhì)量）、導(dǎo)線若干。四、實(shí)驗(yàn)步驟1.儀器安裝與平衡摩擦力：*將長(zhǎng)木板平放在實(shí)驗(yàn)桌上，在帶定滑輪的一端下面墊一塊薄木板，調(diào)整木板傾斜度，使小車在不掛鉤碼時(shí)能在斜面上勻速下滑（可輕推小車，觀察紙帶上點(diǎn)跡是否均勻），以平衡小車所受摩擦力。*用天平測(cè)出小車的質(zhì)量M，并記錄。*將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在長(zhǎng)木板無(wú)滑輪的一端，連接好電源。把紙帶穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，一端固定在小車后面。*用細(xì)繩一端拴住小車，另一端跨過(guò)定滑輪掛上托盤和適量鉤碼。2.保持小車質(zhì)量不變，探究a與F的關(guān)系：*在小車上加適量砝碼（或不加），記錄此時(shí)小車的總質(zhì)量M。*在托盤內(nèi)放入適量鉤碼，記錄其總質(zhì)量m?，計(jì)算拉力F?≈m?g。*接通電源，釋放小車，打出一條紙帶。*更換紙帶，改變托盤內(nèi)鉤碼的質(zhì)量（m?,m?,...），重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，每次都要保證m遠(yuǎn)小于M。*對(duì)每條紙帶進(jìn)行分析，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的加速度a?,a?,a?,...。*以F為橫軸，a為縱軸，描繪a-F圖像，若圖像為過(guò)原點(diǎn)的傾斜直線，則表明a與F成正比。3.保持拉力不變，探究a與M的關(guān)系：*保持托盤內(nèi)鉤碼的質(zhì)量m不變（確保m遠(yuǎn)小于小車總質(zhì)量），記錄此時(shí)的拉力F≈mg。*在小車上增減砝碼，改變小車的總質(zhì)量M?,M?,M?,...，并記錄。*對(duì)每種質(zhì)量，都要平衡摩擦力（若改變了小車質(zhì)量，可能需要重新微調(diào)木板傾斜度以平衡摩擦力，或在最初平衡時(shí)就考慮到這一點(diǎn)）。*接通電源，釋放小車，打出紙帶并計(jì)算出對(duì)應(yīng)的加速度a?,a?,a?,...。*以M為橫軸，a為縱軸，描繪a-M圖像，觀察圖像形狀。再以1/M為橫軸，a為縱軸，描繪a-1/M圖像，若圖像為過(guò)原點(diǎn)的傾斜直線，則表明a與1/M成正比，即a與M成反比。五、數(shù)據(jù)記錄與處理1.設(shè)計(jì)表格記錄各組實(shí)驗(yàn)的m（或F）、M、以及對(duì)應(yīng)的加速度a。2.a-F關(guān)系：根據(jù)數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)，繪制a-F圖像。若圖像是一條過(guò)原點(diǎn)的直線，則驗(yàn)證了在質(zhì)量一定時(shí)，加速度與合外力成正比。3.a-M關(guān)系：*繪制a-M圖像，預(yù)期應(yīng)為雙曲線的一支。*