《中学物理实验研究》讲义(8)

G。为了使这个条件得到满足，在操作时应先将大试管差不多灌满水，再将小试管放在大试管中，使其正好浮在水中，这时ρghS＝G，然后将小试管尽可能往水中按下一些，使得ρghS>G，最后迅速将两试管倒过来。若实验的初始条件选择得不当，如h太小或G太大，此实验都难以成功。

当细试管向上运动后，粗试管中的水就被排挤而流出。这时，影响小试管向上运动的因素（力）共有四个，总的效果仍使F保持向上，即保持小试管渐渐上升。

由上分析可见，小试管的上升，并非仅由于大气压力作用的结果（事实上，开始时大气压对小试管的压力之和是为零的）。把小试管上升的原因仅归结为大气压力对小试管的作用是不确切的。

题目所说“两管粗细相差很小”也是一个重要条件。若粗细相差较大，即使刚开始的瞬间满足ρghS>G的条件，但由于水迅速沿两管壁流下，因而h迅速减小，从而使得F<0，小试管落下。（2）因教学需要要求出现的实验现象，就原理来讲必须是唯一的，而不应该是可能会出现的。 3．原理的可行性

对于实验原理的可行性应注意：

（1）实验装置、器材和实验条件等方面的限制

由于这些限制，使成为理想化的实验方案无法实施，因此，设计和选择方案时必须注意从原理上分析方案是否可行。

（2）主要实验原理不易理解

这是由于实验原理中包含了部分学生未知的知识，使学生不能完全理解。在实际应用应加以避免。 例1：“竹筷提米”实验。

在一个玻璃杯中倒满大米，并将其按紧，然后插入一根竖直的毛竹筷（或细木棒），这时，拿住筷子就可以把装满大米的玻璃杯提起来。

一些初中物理教材安排这个实验在“滑动摩擦”之后，由学生自己做。这个实验的原理涉及静摩擦力的作用，而静摩擦力内容要到高中才开始讲授，初中二年级学生做了这个实验之后也未必能想出其中的道理。因此，在初中二年级安排这个实验与教学大纲要求不相符合，是不适宜的。 例2：牛顿第三定律和牛顿第二定律实验。

用两个质量相等的物体相互牵引或推斥的位移相等来说明牛顿第三定律，并用两个质量不等的物体相互牵引或推斥的拉移与质量成反比来说明牛顿第二定律。

前一个实验实质上是以牛顿第二定律为基础来导出牛顿第三定律，后一个实验又以牛顿第三定律为基础来导出牛顿第二定律，这样就出现了逻辑循环。这种情况是需要避免的。 4．应注意的几个问题

分析研究实验原理的科学性和可行时，应注意：

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（1）不能轻信“原理和结果的吻合”

原理和结果的吻合，或者实验出现的现象与实验原理所预期的现象吻合，不一定说明原理没有问题，而这一点往往被忽略。 例1：验证a∝F的实验。

将两个质量相等的小球分别放在两条长度L相同、高度为1与2之比的斜槽（或斜面）上（θ都不大）。让它们同时滚下，其中一个在斜面中点，另一个在斜面顶端，如图1所示。

有些书籍介绍这个实验的原理是这样的。由于这两个小球的重力G沿斜面的分力为：

h?mgsin?1 L2hF2?G?mgsin?2

LF1?G两分力之比为：

图1 F1:F2?1:2

因此，两球的运动加速度之比：

a1:a2?又由于两球离斜槽底端的路程之比：

F1F2:?1:2 mms1:s2?因此，两球运动到斜槽底端所需的时间为：

1L:L?1:2 2t1?2s1?a12s2?t2（相等） a2由于两球是同时滚下的，因此它们将同时到达斜槽底端。如果斜槽底端是两块挡板，那么我们将听到两球撞击挡板的声音是一声；如果斜槽底端是两把分别与电池和小灯相连接的碰撞开关，那么我们将能看到两个小灯同时亮。

实验表明，实验结果与实验原理分析时所预期的结果一致。由于原理与结果吻合，这个实验流传了几十年，被许多人所接受。如果能冷静地再分析一下实验的话，就不难发现这个实验原理是有问题的，其问题主要在于球与斜槽之间的摩擦力f能否忽略不计。

如果f可以不计，那么两个球的加速度应分别为gsinθ1和gsinθ2。但实验测出小球运动的时间t后，按a＝2s/t2算出的加速度却比gsinθ要小得多。可见，f是不可以忽略的。而原实验原理对球在斜槽中的摩擦情况并没有考虑，似乎任何摩擦情况对实验结果都没有影响，这显然不妥。

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对于一般情况，不忽略摩擦力f的影响。为分析简便起见，这时仅考虑两种简单的情况（也是极端情况）：只滑不滚和只滚不滑。

只滑不滚的情况在实验中不会出现，即使出现，滑动摩擦显然不能忽视。

按原实验叙述只滚不滑的情况是完全可能出现的，在这种情况下，摩擦作用包括静摩擦力和滚动摩擦力偶两部分。当然，如果球与斜槽接触处的形变很小，滚动摩擦力偶的作用是可以忽略的。但静摩擦力f却不能忽略。静摩擦力f一方面对球心的运动起减速作用；另一方面对球的转动起加速作用，没有这个摩擦力小球不可能滚动。考虑静摩擦力f后，我们可以这样分析。

如图2所示，设球半径为r，由于只滚不滑，因而有下述关系式：

F－f＝mac

图2 （1） rf＝Iβ ac＝rβ

（2） （3）

因为I球?22mr，所以有： 5ac?2 gsin?

722 f?F?mgsin?

7755F?f?F?mgsin?

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（4） （5） （6）

从（4）、（6）两式可见，在实验中，正因为两球的m，r和I都相等，所以得：

ac1F?f1Fsin?11?1?1?? ac2F2?f2F2sin?22这就是这个片面的实验原理推出的正确的实验结果???ac1F11????的原因。 ??ac2F22?从思维方式的角度来看，上面的实验之所以会出现物理原理的科学性错误，是因为用了这样的思维模式：

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显然，这种思维模式是不完备的。可见，在分析实验原理乃至实验研究的整个过程中，我们必须重视逻辑思维。 （2）不能想当然

分析和研究实验、设计实验不能只看原理和结果吻合，不能只看现象而想其当然的原理，不能只看原理而想其当然的实验结果。 例2：伽利略的惯性原理思想实验。

让小球沿一个斜面从静止滚下来，小球将滚上另一个斜面。如果没有摩擦，小球将上升到原来的高度。伽利略推论说，如果减小第二个斜面的倾角，小球在这个斜面上达到原来的高度就要通过更大的距离，继续减小第二个斜面的倾角，使它最终成为水平面，小球就再也达不到原来的高度，而要沿着水平面以恒定速度。

下面我们用理想的方法来研究这个理想实验。

伽利略这一理想实验是建立在这样一个假设条件——如果没有摩擦。这里的摩擦是指滑动摩擦、静摩擦、滚动摩擦，还是笼统指三者？

在这个理想实验中，小球的运动状态是“滚”。对于只滚不滑的情况，没有滑动摩擦；假定小球和斜面都是理想刚体的话，也没有滚动摩擦力偶，但是静摩擦却不能没有！否则，小球不可能从斜面上滚下。由此，很容易产生两个问题。

（1）如果仅存在静摩擦，那么小球能否再滚到原来的高度呢？在上滚的过程中，由于静摩擦力的方向与运动方向相同，它将阻止球转动，使球的转动越来越慢，直至停止滚动。又由于这个静摩擦力不做功。因此，由机械能守恒定律可知，小球能滚到原来的高度。

（2）如果第二个斜面 …… 此处隐藏：2503字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……