§3.3 训练三 简单的运动、力和运动的

实验研究

【训练目的】

  1. 掌握斜槽装置与节拍器的使用方法。

  2. 掌握几种演示操作的技巧。

【实验器材】

1.斜槽轨道(J2127 型)、斜面小车(J2108)型、机械节拍器、小球、宽约 10cm 长 30cm 刨木板一块、宽约 10cm 长约 60cm 的刨光木板一块、毛巾一条、棉布一块。

【仪器简介】

1.斜槽轨道(J2127 型)

斜槽轨道是为演示直线运动和运动定律而设计的。斜槽轨道的结构如图 3-16 所示。

1.轨道 2.光电门 3.三脚座 4.支架 5.电磁铁

6.捕捉器 7.钢球 8.螺母 9.标尺图 3-16

斜槽轨道主要由轨道、光电门、三脚座、支架、电磁铁、捕捉器(弹簧夹)、标尺、钢球等组成。其支架可以升降，用以调节轨道所需要的倾角。光电门共有两只，每只都是“U”形，其一边安装聚光灯，另一边安装光电二极管。接通电源后，聚光灯的光线通过透光孔照在光电二极管上。当钢球挡住光线时，光电二极管的电阻发生变化，便把光讯号变成电讯号输出到数字计时器。两个光电门一个是“启动门”，另一个是“终止门”。电磁铁的作用是控制小球的释放。

通常在初中物理演示过程中，不使用光电门，而使用节拍计时器。2.节拍计时器

常用节拍计时器有机械式和电子式两种。图 3-17

机械式节拍器外形如图 3-17，是利用摆的等时性发出节拍的响声。机械式节拍器是一个正四棱台形木盒。正面有一盖板。取下盖板，即看到里面有一标度尺，左右两列刻有 40-208 的标度，用来指示每分钟的节拍数。在标尺前有一个可以绕水平轴摆动的摆杆，摆杆下端有一重物， 摆杆的上部有可上下移动的梯形摆锤。摆杆上边刻有标度。移动摆锤在摆杆上的位置，可控制摆的振动周期。例如，摆锤的下边对着标尺的刻度是 120 度，则每分钟摆动 120 次(摆动 1 次为半个周期)，也就是摆的

周期为 1 秒。摆锤向上周期增大。木盒的下部装有发条和振铃。

使用机械式节拍器之前，先上好发条，然后根据测量要求，调节摆锤的位置。例如，每分钟 n 次节拍(一次全振动两个节拍)，再调节拉杆到每摆 R 次铃响一次，则两次铃响之间的间隔为 t=R/n 分钟。

使用机械式节拍器时注意以下两点：

①仪器必须水平放置，不宜太振动。

②摆杆的摆动必须灵活，必要时可在齿轮上加些钟油润滑。

电子节拍器有音响清晰、调节范围宽、使用简便、不怕振动等优点。电子节拍器的外观面板如图 3-18。右边节拍频率旋钮可选 10 档：

20，40，60，⋯，200，即每分钟的振荡频率。左边另有一个连续可调旋钮，可以从 20 拍/分连续不断地调整到 200 拍/分。

图 3-18

使用时先接通电源，指示灯亮，将右边频率调节旋钮拨到所需的节拍频率刻度上，扬声器即发出有规律的“拍、拍”声。将频率调节旋钮拨向连续档，调节面板左边频率旋钮，可以实现调节，使节拍保持在一个随意确定的频率上。

【实验内容】

一、演示匀速直线运动

1.用斜槽轨道演示匀速直线运动

考虑到初中学生初涉物理领域，初中物理演示实验的使用仪器应尽可能简便，故这个实验中不宜用光电控制的计时器来计时。因此，大多数情况下，使用机械节拍器或电子节拍器计时。

使用斜槽轨道时，先取下光电门，然后将下列步骤操作。

  1. 在直线轨道的水平标尺部分每隔 10cm。用透明胶带贴一面旗作为“路标”。

  2. 调整直轨道为水平状态(可以用水准仪放在直轨道上进行校正)。

  3. 在竖直标尺上选择一个合适的高度 h，为了使钢球经过每一路标

1

时恰好响一声报时，选择节拍器的频率为f拍 = 10 2gh，节拍数n =

1 2gh( 一次全振动有两个节拍)。20

  1. 打开节拍器将钢球于选定高度处自由释放。释放时必须在节拍器

刚好报时的时候松手！可以看到每次节拍器报时，钢球恰好经过每面彩旗。如图 3-19 所示。这说明钢球在相等的时间内通过的路程相等。钢球在直线轨道上的这种运动，叫匀速直线运动。

  1. 重复 n 次上述步骤。

1.底架 2.水平标尺 3.竖直标尺 4.三足支架

5.单足支架 6.弹簧夹图 3-19

在演示实验操作过程中应该注意几点：

①直轨道必须调整水平。

②选定高度后，应该用东西做标记。一般说来，教师应先在实验室里预演，然后将斜槽坡道上的电磁铁位置固定，经作为标记(电磁铁不通电)。

③选定节拍后不应再劝频率旋钮。

④在刚好节拍器发声时释放钢球，这必须多次练习，训练敏捷的反应。

2.用斜面小车演示匀速运动

对于没有斜槽轨道的学校，可以用斜面小车来演示匀速直线运动。斜面小车十分简单：仅一块平板(侧面附有际尺)、一个定滑轮、一辆四

轮小车砝码盘等。在条件十分差的农村中学，完全可以用自制教具的方法来完成这个演示实验。

这个实验原理的设计思想是使小车所受的拉力与小车所受的摩擦力平衡，给小车一个初始速度，使其在水平面上作匀速直线运动。

操作步骤如下：

  1. 与前一实验一样，在水平标尺部分每隔 10cm 贴一“彩旗”作为路标。

  2. 将斜面小车的平板平放在桌面上，小车用细绳系住，细绳另一端跨过定滑轮跟砝码盘相连。如图 3-20 所示。

  3. 在砝码盘中逐渐添加砝码和细砂，仔细调节对小车的拉力，使得小车能在轻推一下之后恰好能在木板上作匀速直线运动(教师可以在实验室里用电磁打点计时器辅助寻找砝码盘中各物的最佳重量，但必须考虑到纸带与仪器的摩擦)。

  4. 调节节拍器的频率，使小车到达每一彩旗位置时，节拍器正好发声。

  5. 反复做几次。

实验过程中注意几点：

①平板要尽量放得水平。

②调节定滑轮高度，使得细线与木板平行拉着小车。

③小车运动至桌边时，一定要用手挡住，以免小车摔到地上。

二、演示变速运动

将前面的斜槽轨道三足支架进行调整，使得直轨道不再水平，而是斜倾某一角度。释放钢球后，钢球通过每两个“路标”时，所用时间并不相同，说明钢球的速度在变化，即钢球做变速运动。

改变砝码盘中砝码或细砂的重量，小车不再做匀速运动，而做变速运动。可以去掉其余“路标”，仅留下起点与终点两块“路标”，让学生练习测量变速运动中的“平均速度”。

演示变速运动的方法很多，可以演示变加速、变减速、时停时走的各种情况。这里不一一赘述。

三、演示牛顿第一定律

由于初中学生在学习这一部分时可能存在错误观点“物体运动需要力的维持”，因此可以分两大步骤来完成这节课的演示实验教学。

  1. 演示“物体运动不需要力的维持”

  1. 将 60cm 长的木板平放在桌上，小球置于木板的一端，用一小挡板不让学生看到小球。

  2. 用手指弹击小球(或者用一木棒敲击小球)，小球被弹出，学生们可以看见小球在平直的木板上滚过，此时并没有力来维持小球的运动。

  1. 演示牛顿第一定律

(1)把 30cm 长的木板垫成倾角 30°左右的斜面，60cm 长的木板水平放置，两板紧密相连。在水平木板上铺上毛巾，让小车自斜面顶端从静

止开始滑下(也可以用小球代替)。在停止的地方留下标记。(2)在水平板上换铺棉布，重复步骤 1。

(3)取去水平板上的棉布，重复步骤 1。如图 3-21 所示实验结果，得出结论：

物体受到的阻力越小，运动的距离越长。如果物体在运动中不受任何力的作用，它的速度保持不变。永远运动下去。