浅析高考物理实验复习之“打点计时器”

浅析高考物理实验复习之“打点计时器”
【摘要】近几年高考物理实验试题中力学部分主要是与打点计时器相关的实验，本文通过“打点计时器”的点连出“力学实验”复习的线，通过一条纸带可以解读各类直线运动、牛顿运动定律、动能定理、机械能守恒定律等动力学的问题。

对于“打点计时器”的考点复习形成复习网络，以提高学生对知识点间联系与运用掌握的优化程度，真正提高课堂复习的实效性，从而才利于学生更快、更好形成系统化的知识网络，提高复习整体的实效性。

【关键词】高考；物理实验；打点计时器
物理实验是高考必考内容，按照考查主要知识点可归为：力学实验和电学实验；历年高三复习教学实践中，教师为力学实验复习要求做到深刻性透彻性与学生学习时感到力学实验变化多端、零散之间的矛盾而犯愁。

在高三教学实践中，笔者发现打点计时器仪器——这一重要高中实验仪器复习能将有关的物理量、实验原理、测量方法与之联系起来，如可以测量许多物理量：时间、位移、速度与加速度等；打点计时器还可与牛顿第二定律、动能定理和机械能守恒定律等力学规律相结合考查，考查涵盖了力学实验大部分内容，是高三力学实验复习中尤为重要复习线索，通过“打点计时器”点连出“力学实验”复习的线，以形成复习网络，以提高学生对知识点间联系与运用掌握的优化程度，如：
1 根据打点计时器打出的纸带可以测量的物理量
例1：（1）下图是某同学在做匀变速直线运动实验中获得的一条纸带。

①已知打点计时器电源频率为50Hz，则纸带上打相邻两点的时间间隔为___。

②ABCD是纸带上四个计数点，每两个相邻计数点间有四个点没有画出。

从图中读出A、B两点间距是______；C点对应的速度是____（计算结果保留三位有效数字）。

分析：时间、位移等物理量是可以用通过直接测量得到；速度、加速度等是间接测量物理量。

2 纸带与匀变速运动联系起来，可以探究小车的运动规律
例2：在做“研究匀变速直线运动”的实验时，某同学得到一条用电火花计时器打下的纸带如图1所示，并在其上取了A、B、C、D、E、F、G 7个计数点，每相邻两个计数点间还有4个点图中没有画出，电火花计时器接220V、50Hz交流电源.经过测量并计算得到电火花计时器在打B、C、D、E、F各点时物体的瞬时速度如下表：
（1）设电火花计时器的周期为T，计算vF的公式为vF=____；
（2）根据（1）中得到的数据，以A点对应的时刻为t=0，试在图2所示的坐标系中合理选择好标度，作出v-t图象，利用该图象求物体的加速度a=
m/s2；（保留两位有效数字）
（3）当时电网中交变电流的频率变为60Hz电压变为210V，但该同学并不知道，那么做实验的这个同学测得的物体加速度的测量值与实际值相比
（选填：“偏大”、“偏小”或“不变”）。

分析：本例题除了考查常规纸带上时间间隔的考查，还有第（3）问中打点频率与时间间隔的关系考查；第（2）问还有速度、加速度的计算，更有与直观处理数据方式-- 图像法相结合考查。

3 纸带与牛顿第二定律联系起来，可以探究加速度与力、质量的关系
例3：为了“探究加速度与力、质量的关系”，现提供如图甲所示的器材：A 为小车，B为电火花计时器，C为装有砝码的小桶，D为一端带有定滑轮的长方形木板，实验中认为细绳对小车拉力F等于砝码和小桶的总重量.请思考探究思路并回答下列问题：
（a）为了消除小车与水平木板之间摩擦力的影响应采取什么做法？
（b）在“探究加度与质量的关系”时，保持砝码和小桶质量不变，改变小车质量m，分别得到小车加速度a与质量m数据如下表：
根据上述实验数据，用计算机绘制出图象如图乙所示：通过对图象（图乙）的观察，可猜想在拉车F一定的情况下a与m的关系可能是：、、等等，为了验证猜想，请在图丙中作出最能直观反映a与m之间关系的图象.
分析：该例题中的实验装置在考查力学实验中具有一定的普适性，当中比较典型就是结合牛顿第二定律进行考查，在此具体实验例题中，就是以“打点计时器”为点所串出“牛顿运动定律实验”系统复习，当中包含的此实验多种科学思想方法顺着这条线索条理形象展示在学生面前：
A.采用控制变量法
保持物体的质量一定，研究加速度与力的关系（如本例题b问的设置）；保持力一定，研究加速度与质量的关系；最后综合得出物体的加速度与其所受到的合外力及物体质量之间的关系。

B.实验前，采用平衡摩擦力法
实验前将长木板一端垫高，给小车一个初速度，使小车刚好做匀速直线运动，那么挂上砂桶后，细绳对小车的拉力即为小车所受到的合力，平衡好摩擦力之后，实验过程中无需再重新调试优化了实验程序与计算过程。

C.实验中，采用近似法
本实验中，砂桶与小车是连接在一起，做加速运动，在处理数据时，让小车质量M远大于砂桶质量m，如此小车受到的拉力就近似等于砂桶重力mg，如例4（2）问的设置。

D.测量加速度的方法
本例题中加速度值可以通过纸带法求出，也可采用图像法（用速度传感器测出不同时刻的速度，作出v-t图像，求图像斜率来获得加速度）；还可以采用课本所介绍的转换法通过求两个小车通过位移之比来获得加速度之比。

E.图像法直观处理数据，图像渗透”化曲为直”思想方法
图像法是处理数据关系当中最直观的方式，实验中合力F一定时，作a-m图像时，两者关系是反比的曲线关系；而作的是a-1/m图像，是正比的直线关系，相比较更直观确定a与m的关系，这种思想方法就是“化曲为直”，如本例题中b 问要求学生做a-m图像。

4 与动能定理结合起来，可以探究验证动能定理的实验。