高中物理《演示实验》

2024年3月17日发(作者：温铁军)

第14讲 演示实验(一)

物理学是一门以实验为基础的科学。通过物理演示实验，可以帮助大家认识物理现象、理解物理概念、探寻物理规律、建立物理模型。这两讲我们复习一些力学、电磁学的演示实验，帮助大家回忆、复习学过的基础知识，同时希望大家对高中物理思想方法有更深的体会。

14.1 运动的研究

知识点睛

1．纸片和硬币下落得一样快吗

⑴ 实验过程

① 如图所示，拿一个长度为1.5m的玻璃筒，一端封闭，另一端有开关，把形状和质量都不相同的几个物体，如果纸片和硬币等放到玻璃筒里，把玻璃筒倒立过来，观察这些物体下落的情况。

② 把玻璃筒里的空气抽出去，再把玻璃筒倒立过来，再次观察物体下落的情况。

⑵ 实验现象

当玻璃筒内有空气时，硬币比纸片下落得快；而当抽去玻璃筒内的空气时，纸片和硬币同时下落。

⑶ 实验结论

在忽略空气阻力的情况下，所有物体下落的快慢是相同的。

2．用打点计时器研究自由落体运动

⑴ 实验过程

① 如图所示，将打点计时器固定在铁架台上，纸带一端系着重物，另一端穿过打点计时器，用手捏住纸带，启动计时器，松手后重物自由下落，计时器在纸带上留下一串小点。

s② 根据“逐差法”求出重物下落的加速度a2。

nT③ 改变重物的质量，重复上面的实验。

⑵ 实验结论

一切物体做自由落体运动的加速度均为g。

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3．用光电门测量瞬时速度

⑴ 实验原理

实验装置如图所示，使一辆小车从一端垫高的木板上滑下，木板旁边装有光电门，其中A管发出光线，B管接收光线。当固定在车上的遮光板通过光电门时，光线被阻挡，记录仪上可以直接读出光线被阻挡的时间。这段时间就是遮光板通过光电门的时间。根据遮光板的宽度s和测出的时间t，就可以s算出遮光板通过光电门的平均速度v，由于遮光板的宽度s很小，因t此可以认为，这个平均速度就是小车通过光电门的瞬时速度。

⑵ 物理思想

本实验用遮光板通过光电门的平均速度来表示小车通过光电门的瞬时速度，ss这里用到了极限思想，根据v，t非常小，s也非常小，就可以认为tt表示的小车通过光电门的瞬时速度。

⑶ 深入探究

要想准确地测出小车通过光电门的瞬时速度，遮光板应该是窄一些比较好，只有遮光板窄一些，s才能更精确地表示小车通过光电门的瞬时速度。

t

例题精讲

例题说明：这两讲例题较少，老师主要是通过讲解演示实验，帮助学生复习学过的相关知识，熟悉演示实验内容，体会物理思想方法。例1对应用打点计时器研究自由落体运动、例2对应用光电门测瞬时速度。

【例1】 如图所示，将打点计时器固定在铁架台上，使重物带动纸带从静止开始自由下落，利用此装置可以测定重力加速度。

⑴ 所需器材有打点计时器（带导线）、纸带、复写纸、带铁夹的铁架台和带夹子的重物，此外还需 （填字母代号）中的器材。

A．直流电源、天平及砝码 B．直流电源、毫米刻度尺

C．交流电源、天平及砝码 D．交流电源、毫米刻度尺

⑵ 通过作图象的方法可以剔除偶然误差较大的数据，提高实验的准确程度。为使图线的斜率等于重力加速度，除做v~t图象外，还可做 图象，其纵轴表示的是 ，横轴表示的是 。

v2【答案】 ⑴ D， ⑵

~h，速度平方的二分之一，重物下落的高度。

2

【例2】 如图为测量作匀加速直线运动小车的加速度，将宽度均为b的挡光片A、B固定在小车上，测得二者间距为d。

⑴ 当小车匀加速经过光电门时，测得两挡光片先后经过的时间t1和t2，则小车加速度a 。

⑵ 为减小实验误差，可采取的方法是

A．增大两挡光片宽度b

B．减小两挡光片宽度b

C．增大两挡光片间距d

D．减小两挡光片间距d

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b211]，⑵

B，C 【答案】

⑴

[2d(t2)2(t1)2

14.2 相互作用

知识点睛

1．粗测最大静摩擦力

⑴ 实验过程

① 如图所示，将一个物放在水平桌面上，用弹簧测力计水平拉着。

② 逐渐增大拉力直到物块滑动，记下刚好使物块滑动时测力计的示数。

③ 在物块上添加砖码，再次水平拉动物块，并记下刚好使物块滑动时测力计的示数。

⑵ 实验结论

静摩擦力的增大有一个限度，这个限度就叫最大静摩擦力，且最大静摩擦力与正压力成正比。

⑶ 实验设计原理

只要物块不发生滑动，物块受到的弹簧测力计的拉力与桌面给它的静摩擦力就平衡，直到达到最大静摩擦力。根据刚好滑动时，FFf，改变物块的重力，便可研究出最大静摩擦力与正压力的关系。

2．探究滑动摩擦力大小的决定因素

⑴ 实验过程

① 如图所示，弹簧测力计一端固定于P点，自由端系一细线，与物体A水平连接。拉动木板B，弹簧测力计的读数T总等于AB间的滑动摩擦力Ff，在物体A上添加砝码，改变压力N，测出每次对应的T。记录各次的N、T值，研究N与T的关系，将各次的N、T值填入下列表格中：

实验序号 1 2 3 4

压力N/N

弹簧测力计的读数T/N

T

N② 改变水平木板B的粗糙程度，重复上述实验，探究滑动摩擦力的大小与接触面粗糙程度的关系。

⑵ 实验结论

滑动摩擦力的大小与压力成正比，还与接触面的粗糙程度有关。

⑶ 实验方法

本实验研究的是滑动摩擦力的大小与正压力和接触面性质的关系，实验过程中采用的是控制变量的方法，即保持在接触面性质不变的条件下，研究滑动摩擦力与正压力大小的关系；在保持正压力不变的条件下，研究滑动摩擦力的大小与接触面性质的关系。另外，本实验方案的设计

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比较好，无论怎样拉动木板，物体A受到的滑动摩擦力均与弹簧测力计的拉力二力平衡。

3．探究作用力与反作用力的关系

关于作用力与反作用力之间的关系，可以有多种探究方案，比较常见的有以下几种：

⑴ 方案一：用两只弹簧测力计探究作用力与反作用力的关系

① 实验过程

把A、B两个弹簧测力计连接在一起，B的一端固定，用手拉测力计A。如图所示，可以看到两个测力计的指针同时移动。这时，测力计A受到B的拉力F′，测力计B则受到A的拉力F，比较F和F′的大小。

改变手拉弹簧测力计的拉力的大小，再次比较测力计A受到B的拉力和测力计B受到A的拉力的大小关系。

② 实验结论

两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方面相反，作用在同一条直线上。

⑵ 方案二：用传感器探究作用力与反作用力的关系

① 实验过程

把一只力传感器连在计算机上，传感器的钩子挂钩码，钩子受力的大小随时间变化的情况可以由计算机屏幕显示。

如图甲所示，实验时把两只力传感器连接在计算机上，然后把其中一只系在墙上，另一只握在手中。图乙中横坐标轴上两条曲线分别表示两只传感器的受力的大小。

图甲 图乙

用力拉一只传感器，可以看到，在一只传感器受力的同时，另一只传感器也受到力的作用，而且在任何时刻两个力的大小都是相等的，方向都是相反的。

如图所示，把一只力传感器系在一个物体上，另一只握在手中，当通过传感器用力拉物体时，尽管物体的运动状态可能变化，力的大小也可能随时间变化，但在任何时刻，作用力和反作用力总保持大小相等、方向相反。

② 实验结论

两个物体之间的作用力与反作用力总是大小相等、方向相反，作用在同一条直线上，这种关系不仅适用于静止的物体之间，也适用于运动的物体之间，即这种关系与物体的运动状态无关，也与参考系的选择无关。

③ 实验的优越性

本实验借助传感器这种高科技的产品，体现了一个动态的力的过程分析，即作用力与反作用力中，有一个力改变，另一个力马上发生变化，并且通过图像的方式直观地表达出来，可增强大家对作用力与反作用力关系的进一步理解。

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4．磁铁间的作用力

⑴ 实验过程

如图所示，把两根条形磁铁的异名磁极相对放在尽可能光滑的水平台面上，让它们彼此接近但不直接接触，用两手分别按住它们以保持静止，当两手同时放开时注意观察看到的现象。

⑵ 实验现象

当两手同时放开磁铁时，可以看到两磁铁互相靠近。

⑶ 实验结论

两个物体间的作用力是相互的。

5．感受分力

如图所示，将细绳的中部拴在一根木棒的一端，细绳的一端固定一重物，另一端系在一小环套在食指上。按此操作便可以亲身体验重物对细绳的向下的拉力F产生的两个作用效果，一是沿着绳拉绳的力F1（沿BO方向斜向左下），二是沿杆的方向压紧手心的力F2（沿OC方向）。也就是说，重物对绳的拉力可以分解为沿着绳BO拉紧绳的力和沿着杆OC压紧杆的力。

例题精讲

例题说明：例3对应探究滑动摩擦力大小的决定因素；例4对应作用力与反作用力的关系；例5是有关分力问题。

【例3】 在“研究滑动摩擦力的大小跟哪些因素有关”的实验中：

⑴ 为使弹簧秤的拉力等于摩擦力，必须 拉动物体。

⑵ 在木块上加放砝码后，弹簧秤的示数 （填“增大”、“减小”或“不变”），这说明 。

⑶ 在砂纸上拉动木块比在木块上拉动木块，弹簧秤的示数要 ，这说明 。

【答案】 ⑴ 匀速

⑵ 增大；滑动摩擦与压力有关，压力越大，滑动摩擦力越大

⑶ 大；滑动摩擦力与表面粗糙程度有关，表面越粗糙滑动摩擦力越大

【例4】 “嫦娥一号”的成功发射，一方面表明中国航天事业已走在了世界的前列，另一方面“嫦娥一号”的发射也带动了高科技的发展。目前计算机的科技含量已相当高，且应用于各个领域。如图是利用计算机记录的“嫦娥一号”发射时，火箭和地面的作用力和反作用力变化图线，根据图线可以得出的结论是

A. 作用力大时，反作用力小

B. 作用力和反作用力的方向总是相反的

C. 作用力和反作用力是作用在同一个物体上的

D. 牛顿第三定律在物体处于非平衡状态时不适用

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【答案】 B

【例5】 如图所示，质量为m的物体用细绳OC悬挂在支架上的O点，轻杆OB可绕B点转动，求细绳OA中张力T大小和轻杆OB受力N大小。

Tmg/sin，Nmgcot 【答案】

14.3 曲线运动

1．钢球离开轨道时速度方向与轨道（曲线）的关系

⑴ 实验过程

如图所示，水平桌面上摆一条弯曲的轨道，它是由几段稍短的圆弧形轨道组合而成。钢球由轨道的C端滚入（通过压缩弹簧射入或通过斜面滚入），在轨道的束缚下做曲线运动。在轨道的下面的适当位置放一张白纸，蘸有墨水的钢球从出口A离开轨道后在白纸上留下一条运动的痕迹，它记录了钢球在A点的运动方向。

拆去一段轨道，钢球的轨道出口改在B。同样的方法可以记录钢球在轨道B点的运动方向。

⑵ 实验结论

物体做曲线运动时的速度方向沿曲线上那一点的切线方向。

2．磁铁的作用力使钢球的速度方向发生改变

⑴ 实验过程

如图所示，一个在水平面上做直线运动的钢球，如果在钢球的路径旁边放一根条形磁铁，钢球就会不断偏离原来的速度方向，做曲线运动了。

⑵ 实验结论

当运动物体所受合外力的方向跟它的速度方向不在同一条直线上时，物体就做曲线运动。

3．互成角度的运动的合成

⑴ 实验过程

① 如图甲所示，在长约80 ~ 100cm的一端封闭的玻璃管中注满清水，水中放一个红蜡做成的小圆柱体R（圆柱体的直径略小于玻璃管的内径，圆柱体的轻重大小适宜，使它在水中大致能匀速上浮）。将玻璃管的开口端用胶塞塞紧。

知识点睛

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② 如图乙所示，将此玻璃管紧贴黑板竖直倒置，红蜡块R就沿玻璃管匀速上升，做直线运动。红蜡块R由A运动到B，它的位移是AB，记下它由A运动到B所用的时间。

③ 再次将玻璃管竖直倒置，在红蜡块上升的同时将玻璃管水平向右匀速移动，观察红蜡块的运动，将会看出它是斜向上方运动的。经过相同的时间，红蜡块将沿直线AC到达C。这时，它的位移是AC（图丙）。

⑵ 实验结论

小圆柱体可以看成同时参与了下面两个运动：在玻璃管中竖直向上的运动（由A到B）和随玻璃管水平向右的运动（由A到D）。小圆柱体实际发生的运动（由A到C）是这两个运动合成的结果。

⑶ 深入探究

在上述实验中，若竖直方向上仍保持蜡块做匀速直线运动，而在水平方向上让玻璃管向右做匀加速直线运动，则可观察到蜡块实际运动的轨迹不再是直线，而是曲线。

4．运动的等时性研究

⑴ 实验过程

① 如图所示，用小锤击打弹性金属片，A球就会向水平方向飞出，做平抛运动。同时，B球也被松开，做自由落体运动。

② 越用力打击金属片，A球的水平速度就越大，它在落地前飞出的水平距离就越远。但是，无论A球的初速度大小如何，它总是与B球同时落地。

⑵ 实验结论

以上实验说明，平抛运动在竖直方向上是自由落体运动，水平方向速度的大小并不影响物体在竖直方向的运动，物体平抛运动的时间由竖直运动的时间决定。

5．杂技节目中的“水流星”表演

⑴ 实验过程

首先用一根细绳系住两个盛水的杯子，演员抡起绳子，杯子做圆周运动，如图所示。我们发现不论演员怎样抡，水都不从杯里洒出，甚至杯子在竖直面运动到最高点时，杯口已经朝下，水也不会从杯里洒出来。

⑵ 实验结论

只要保持杯子在圆周最高点的线速度v≥gr，就有物体（水）做圆周运动的向心力F≥mg，表演就总会成功。

6．观察离心运动

⑴ 实验过程

① 如图所示，在光滑水平桌面的O点固定一根钉子，把绳的一端套在钉子上，另一端系一个小球，使小球在桌面上做匀速圆周运动。

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小球之所以绕O点做匀速圆周运动，是因为绳对小球始终有一个拉力F，这个拉力的方向不断变化，但总是沿半径指向圆心，最小球做圆周运动的向心力。

② 若将钉子拔掉，向心力消失，小球就会沿着圆周的切线方向飞出。

⑵ 实验结论

做匀速圆周运动的物体，若向心力突然消失。物体将沿着圆周的切线方向飞出，做远离圆心的运动，即离心动动。

7．用圆锥摆粗略验证向心力的表达式

⑴ 实验过程

① 细线下面悬挂一个钢球，细线上端固定在铁架台上。将画着几个同心圆的白纸置于水平桌面上，使钢球静止时正好位于圆心。用手带动钢球，设法使它沿纸上的某个圆周运动，如图所示，随即手与钢球分离。

② 用秒表或手表记录钢球运动若干圈所用的时间，再能通过纸上的圆测出钢球做匀速圆周运动的半径，这样就能算出钢球圆周运动的线速度，钢球质量可由天v2平测出，于是，用公式F向m就能算出钢球所受的向心力。

r③ 再从另一方面计算钢球所受的向心力。

钢球在水平面内做匀速圆周运动时，受到重力mg和细线拉力FT的作用。它们的合力为F。由图中看出，Fmgtan。tan的值能通过以下的测量和计算得到：测出圆半径r和小球距悬点的竖直高度h，两者之比就是tan。用天平测得钢球质量后，合力F的值也就得到了。

④ 比较两个方法得到的向心力大小的关系。

⑵ 实验注意事项

① 由于小球运动时距纸面有一定高度，所以它距悬点的竖直高度并不等于纸面距悬点的高度，这种差别可以通过估算解决。

② 测量小球距悬点的竖直高度时，要以小球的球心为准。

⑶ 实验结论

向心力是效果力，圆锥摆的向心力是由重力和绳的拉力的合力来提供的。

例题精讲

例题说明：例6考察曲线运动；例7对应互成角度的运动的合成；例8对应运动等时性研究；例9考察圆周运动。

【例6】 某质点在恒力F作用下，F从A点沿下图中曲线运动到B点，到达B点后，质点受到的力大小仍为F，但方向相反，则它从B点开始的运动轨迹可能是图中的哪条曲线

A．曲线a B．直线b

C．曲线c D．三条曲线均有可能

【答案】 A

【例7】 红蜡块能在玻璃管的水中匀速上升，若红蜡块在A点匀速上升的同时，使玻璃管水平向右做匀加速直线运动，则红蜡块实际运动的轨迹是图中的

A.直线P B．曲线Q C．曲线R D．无法确定

【答案】 B

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【例8】 根据运动分解的知识，平抛物体的运动可以分解为：①水平方向做匀速运动；②竖直方向做自由落体运动。为了研究平抛物体的运动，可做下面的实验：如图所示，用小锤打击弹性金属片，A球水平飞出，同时B球做自由落体运动，两球同时落到地面．这个实验

A．只能说明上述规律中的第①条

B．只能说明上述规律中的第②条

C．不能说明上述规律中的任何一条

D．能同时说明上述两条规律

【答案】 B

【例9】 第十二届中国吴桥国际杂技艺术节，于2009年10月31日在石家庄市（主会场）拉开了序幕。如图所示的杂技演员在表演“水流星”的节目时，盛水的杯子经过最高点杯口向下时水也不洒出来，对于杯子经过最高点时水的受力情况，下列说法正确的是

A．水处于失重状态，不受重力的作用

B．水受平衡力的作用，合力为零

C．由于水做圆周运动，因此必然受到重力和向心力的作用

D．杯底对水的作用力可能为零

【答案】 D

14.4 能量、动量

知识点睛

1．小球能摆多高

⑴ 实验过程

如图所示，一个用细线悬挂的小球从A点开始摆动，记住它向右能够达到的最大高度。 然后用一把直尺在P点挡住摆线，观察这种情况下小球所能达到的最大高度。

⑵ 实验结论

挡住摆线前后，小球能达到的最大高度是相同的。

2．观察两球的碰撞

⑴ 实验过程

如图所示，A、B是两个悬挂起来的钢球，质量相等。使B钢球静止，拉起A钢球，放开后A与B碰撞，观察碰撞前后两球运动的变化。

换成质量相差较多的两个小球，重做以上实验。

⑵ 实验现象

当A、B两球质量相等时，碰前A球运动，具有一速度，碰后A球保持静止，B球以A球的速度向右摆动。当A、B质量相差较多时，碰后A、B均有速度。

3．鸡蛋怎样才不会破

⑴ 实验过程

如图所示，鸡蛋从高处落到地面上坚硬的盘子里会被打破。若在地面上垫一块较厚的软垫（如枕头），再将鸡蛋举列同一高度让它落到软垫上，鸡蛋会不会被打破？

⑵ 实验现象

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当鸡蛋从高处落到地面上坚硬的盘子里会被打破，而当从同一高度落到软垫上时，鸡蛋不会被打破。

⑶ 现象分析

从同一高度落到地面上时，动量的变化量是相等的，落到竖硬的盘子里时，作用时间短，力大，而落到软垫上时，作用时间长，力小，故鸡蛋不会被打破。

4．反冲现象的演示

⑴ 实验过程

① 把一个气球吹起来，用手捏住气球的通气口，如图甲所示，然后突然放开，让气体喷出，观察气球的运动。

图 甲 图 乙

② 如图乙所示，把弯管装在可旋转的盛水容器的下部，当水弯管流出时，容器就旋转起来。

⑵ 实验现象

突然放开手后，气球沿着气体喷出的方向运动；当水从弯管流出时，容器就沿着与水流相反的方向旋转起来。

例题精讲

例题说明：例10考察能量问题，例11考察碰撞、能量问题

【例10】 伽利略曾设计如图所示的一个实验，将摆球拉至M点放开，摆球会达到同一水平高度上的N点。如果在E或F处钉钉子，摆球将沿不同的圆弧达到同一高度的对应点；反过来，如果让摆球从这些点下落，它同样会达到原水平高度上的M点。这个实验可以说明，物体由静止开始沿不同倾角的光滑斜面（或弧线）下滑时，其末速度的大小

A．只与斜面的倾角有关

B．只与斜面的长度有关

C．只与下滑的高度有关

D．只与物体的质量有关

【答案】 C

【例11】 如图所示，两个半径相同的小球A、B分别被不可伸长的细线悬吊着，两个小球静止时，它们刚好接触，且球心在同一条水平线上，两根细线竖直。小球A的质量小于B的质量。现向左移动小球A，使悬吊A球的细线张紧与竖直方向成某一角度，然后无初速释放小球A，两个小球将发生碰撞。碰撞过程没有机械能损失，且碰撞前后小球的摆动平面不变。已知碰撞前A球摆动的最高点与最低点的高度差为h。则小球B的质量越大，碰后

A．A上升的最大高度hA越大，而且hA可能大于h

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B．A上升的最大高度hA越大，但hA不可能大于h

C．B上升的最大高度hB越大，而且hB可能大于h

D．B上升的最大高度hB越大，但hB不可能大于h

【答案】 B

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