高考物理力学实验之“板”“车”模型应用归纳

吕晴霞

摘 要：针对目前高考中力学实验题型变化多端，考生往往难以下手的实际，总结了高中物理力学实验的重点类型，从探究物理加速度与外力、质量的关系，功与物体速度变化的关系以及机械能守恒定律的验证三个方面总结了“板”“车”模型的简单应用，分析了相关注意事项。为力学实验的复习提供思路和参考。

关键词：“板”“车”模型；力学实验；探究

历年高考中全国卷和新课标卷涉及的一些实验题目，所包含的类型大致可以概括成“一力和一电”的题型。试卷中不仅考察教材中原有的学生实验，还考察一些演示实验。更为重要的是有时会将不同的实验器材和各类实验方法进行重新组合形成新的实验内容，题目之新颖，种类之繁多让人目不暇接。也使得很多考生总感觉对实验题无从下手。笔者就个人多年来在力学实验复习中所获心得体会总结出来以资讨论借鉴。

高中物理课本中力学实验主要有以下七个实验：①探究弹力和弹簧伸长量的关系；②验证力的平行四边形定则；③研究匀变速直线运动的规律；④验证牛顿第二定律；⑤分析和考察对某一物体做功与其所对应的速度改变之间的作用关系；⑥探究平抛物体的运动规律（在某些地方不作为考试的范围）；⑦验证机械能守恒定律。这些实验不外乎考察以下几点：1.重点关注于一些物理技能以及技巧，熟练掌握不同设备以及装置所具有的自身特性。如直尺、游标卡尺以及螺旋测微器的读数、打点计时器、秒表、光电门、频闪照相机等的应用。2.将实验中所涉及的相应的原理作为重点，同时，依据本来的原理采取一定的方法而科学的转换与拓展。比方研究物体的匀变速直线运动和求动摩擦因数等。高考命题理念一直倡导源于课本而又不拘泥于课本，因此抓住实验的灵魂——实验原理，正是我们突破实验的重要切入点。3.倡导分析讨论的能力，讲究实验品质的培养。比方对于数据进行相应的分析与处理，实验中所产生的误差探究和过程改进，也可能涉及一些相对开放的实验内容等和新课标中所包含的一标多本理念的交汇。4.利用已有知识进行创新性实验的设计。比如设计多个测量重力加速度或动摩擦因数又或弹簧的劲度系数的计划。尤其是关于力学知识的一些设计类型实验内容在最近几次高考中有逐渐加强的趋势，而以长木板和小车（以下简称为“板”“车”模型）组合装置为背景的实验尤为多见。

一、探究物体加速度与外力、质量的关系

例一、图1-1所示，是采取拉力传感装置以及速度传感装置来分析与研究“物体所具有的加速度和其所受到外力之间的作用情况”，使用相应的拉力传感装置，来读出该实验中小车所受到的拉力值。同时，将相应的速度传感装置放置于A、B处，且A与B之间的距离为L=48.0cm。同时，记录并读出小车经过A点、B点处的速率值大小。

1.本实验所进行的相应步骤为：①把相应的拉力传感装置安放于小车之上。②使小车所受到的摩擦力处于平衡状态，使小车做__运动。③将一根较细的绳任一端系于相应的拉力传感装置，在其另外的一端经由一个定滑轮，而和钩码连接。④将电源开关合并之后小车在C点被释放出去，使其受到绳的拉力而向前运动，此时读出绳所给予小车的拉力值F，并且读取小车经过A点与B点处的相应速度大小VA和VB。⑤将钩码的数目做出一定的增减，并进行第④步骤的操作。

2.再图1-2里展示了本次实验过程中所读取的相关数据信息，VB2-VA2代表了在A处与B处的速度传感装置读取的数值的平方差。那么，我们可以得出小车相应加速度的表达公式为a=。并把图1-2里第3次进行的实验数据补充至表中（结果要求保留三位有效数字）。

3.通过图1-2里的相关数据信息，用坐标纸描绘出a-F之间的关系曲线。

二、分析与研究做功和物体速度改变之间的作用关系

例二、在某次实验中我们进行了对“做功和物体速度改变之间的作用关系”分析与研究。学生利用实验室的器材设计并安装出如图2-1中的实验装置，并且学生还在实验室中获得了打点计时装置配套的电源、天平、刻度尺、导线若干、复写纸若干、纸带若干、砝码若干等物品。

同学们进行了如下的实验：把长木板的左端采用垫块垫高一点，使小车所受到的摩擦力处于平衡状态；对所使用的托盘和砝码进行称量，得到其中质量为M；将电源的开关关闭，并使小车由速度为零的状态开始运动，并使小车带着与之相联的纸带共同前进。图2-2所示为同学们在实验过程里所获取的带打印点的纸带。①通过对纸带分析得出其（左端或者右端）和小车连接在一起。②若所采用的电源频率是50Hz，而相应的纸带中我们将五个点看成是一个计数点，同时采用相应的刻度尺得到相邻两个计数点距离值大小。再打点1时，小车所拥有的速率为V1=__m/s，打点3时小车所拥有的速率为V3=m/s（数值都保留两位有效数字）。③称量出的M值为0.10Kg，如果把托盘与砝码所受到的重力当成是小车所受的外力值，那么，小车在1点至3点的阶段，外力对其做功值W合=J（g取9.8m/s2结果保留两位有效数字）

三、验证机械能守恒定律

例三、利用气垫导轨来检验并证明机械能的守恒，所采用的相对应装置见图3-1。在处于水平位置的桌面上，安放上具有一定斜度的气垫导轨，在其上方的A位置有一个滑块，其上方带有一个长方形状的遮光片，滑块和遮光片的质量总和是M，滑块的左侧和细线及小球连接，细线经由光滑的定滑轮而系有小球，且小球的質量是m。滑片上方的遮光片其长边和导轨互相垂直。在B位置安放了相应的光电门，能够测出遮光片在经由此处时所挡住光线的总时长t，并且用d代表A位置至光电门B处所具有的距离值大小，用b代表遮光片所拥有的宽度值大小，把遮光片经由电门时的平均速度值当成是滑块经由B位置处的瞬时速度值。实验时滑块在A处由静止开始运动。

滑块通过B点的瞬时速度可表示为；某次实验测得倾角，重力加速度用g表示，滑块从A到达B时m和M组成的系统动能增加量可表示为ΔEk=，系统的重力势能减少量可表示为ΔEp= ，在误差允许的范围内，若ΔEk=ΔEp则可认为系统的机械能守恒；在上次实验中，某同学改变A、B间的距离，作出的图像如图3-2所示，并测得M=m，则重力加速度g= m/s2。

由以上各例可见，无论是实验中考查加速度，力还是功和速度或是能量问题都可在“板车”模型的背景下灵活出题。且问题挖掘的地方不外乎三处：1.在小车的牵引力上做文章，若由沙桶或勾码的重力提供则往往为了减小误差需满足m﹤﹤M的条件，但若是由拉力传感器或弹簧测力计则无需考虑上述条件。2.在获得速度和加速度的方式上变换器材，供选择的仪器有打点计时器、光电门和频闪照相机等。要掌握好各自的数据处理方法。3.利用图像法处理数据仍然还是热点和难点。但只要抓住基本原理，由实验原理的原始方程出发，通过改写变形以线性图像为目标即可得到合适的函数方程。明确了图像的斜率和截距的意义问题也就迎刃而解了。

（作者单位：甘肃省民乐县第一中学）