測(cè)量地鐵加速度的曲折之路

楊曉東 唐齊林

摘 ? 要：研究性學(xué)習(xí)是綜合實(shí)踐活動(dòng)課程的一部分，而物理范疇的研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)能培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)研究方法的掌握。本文通過介紹一次貫穿整個(gè)高一上學(xué)期的研究性學(xué)習(xí)——測(cè)量地鐵加速度，體現(xiàn)了研究性學(xué)習(xí)與物理課程的相互支撐和促進(jìn)。

關(guān)鍵詞：研究性學(xué)習(xí);加速度;測(cè)量方法

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2015）9-0064-2

高中《物理（必修1）》總的來看分為運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)以及它們的銜接部分——受力分析。如果將這些知識(shí)盡可能地應(yīng)用到研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)中，同時(shí)這些活動(dòng)又能對(duì)物理知識(shí)的學(xué)習(xí)起到支撐和促進(jìn)作用，那么這個(gè)研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)就意義非凡了。為此，筆者給學(xué)生提出了測(cè)量地鐵加速度的活動(dòng)題目，而該加速度的測(cè)量之路可謂曲折。

1 ? ?頻閃照相法測(cè)量加速度

由于學(xué)生最先學(xué)習(xí)的是運(yùn)動(dòng)學(xué)，而運(yùn)動(dòng)學(xué)中常規(guī)的測(cè)量加速度的方法便是紙帶法以及頻閃照相法。學(xué)生自然而然地想到了用該方法去測(cè)量地鐵出站時(shí)的加速度，但最終失敗了。原因在于兩方面，一是照片的實(shí)際處理確實(shí)困難，二是客觀來看地鐵出站時(shí)做的是非勻加速直線運(yùn)動(dòng)。但是，失敗也有其積極的意義。同學(xué)們更加明確了紙帶法以及頻閃照相法的物理原理，同時(shí)也知道了無法直接運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)中的方法來解決這一問題。

2 ? ?利用傾角測(cè)量加速度

隨著“必修1”學(xué)習(xí)的深入和師生討論以及查閱文獻(xiàn)，同學(xué)們提出了根據(jù)動(dòng)力學(xué)知識(shí)，利用傾角測(cè)量加速度，原理如圖1所示。當(dāng)?shù)罔F處于非平衡態(tài)時(shí)，懸線或液面必然出現(xiàn)一個(gè)傾角θ，且a與θ滿足的關(guān)系是a=gtanθ。只要測(cè)出每一時(shí)刻的傾角便可以明確此時(shí)的加速度。然而，兩組實(shí)驗(yàn)最終都失敗了。通過分析和討論，總結(jié)出失敗原因：圖1所示的這兩種情況非常特殊，它要求地鐵以恒定加速度行駛且人為地將液面或懸線控制在與加速度對(duì)應(yīng)的傾角的初始狀態(tài)上才能穩(wěn)定，否則就會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)而無法觀測(cè)。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中液面和懸線便是由于地鐵的變加速運(yùn)動(dòng)而無規(guī)則晃動(dòng)。此次失敗的經(jīng)歷讓同學(xué)們對(duì)這兩種物理模型有了更深的認(rèn)識(shí)，同時(shí)有的同學(xué)對(duì)“晃動(dòng)”產(chǎn)生了興趣。

3 ? ?利用傳感器測(cè)量加速度

連續(xù)兩次失敗讓同學(xué)們士氣比較低落，同時(shí)終于等來了讓他們柳暗花明的時(shí)刻。此時(shí)正值“牛頓第三定律”的教學(xué)，為凸顯相互作用力在動(dòng)態(tài)過程中時(shí)時(shí)刻刻滿足的關(guān)系，筆者使用了力傳感器。完成這節(jié)教學(xué)之后，筆者安排了一次課題組會(huì)議，終于找到了解決問題的辦法，原理如圖2所示。傳感器的拉力提供小車加速度，通過傳感器可以描繪出地鐵啟動(dòng)過程中的F-t圖像，將縱坐標(biāo)統(tǒng)一除以小車質(zhì)量便可以得到地鐵的a-t圖像。圖3便是我們測(cè)量的地鐵出某站點(diǎn)時(shí)的F-t圖像。同時(shí)，小組成員也進(jìn)一步?jīng)Q定測(cè)量、繪制更多站點(diǎn)的加速度圖像，并采訪當(dāng)時(shí)乘客的乘坐體驗(yàn)，同時(shí)將這些信息一并反饋給地鐵公司，為提升地鐵服務(wù)質(zhì)量貢獻(xiàn)力量。進(jìn)而明確了課題下一步的工作方向。至此，此研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)取得階段性成功。

總結(jié)整個(gè)過程，同學(xué)們?cè)谄穱L失敗的同時(shí)，也完成了知識(shí)的應(yīng)用和深挖掘、深理解。最終的成功更是將所學(xué)知識(shí)發(fā)揮到極致，不僅讓同學(xué)們感受到了豁然開朗的興奮，同時(shí)討論的過程也讓同學(xué)們真正擦出了智慧的火花。將課題的最終落腳點(diǎn)放在提升乘坐質(zhì)量上，也進(jìn)一步體現(xiàn)了同學(xué)們服務(wù)社會(huì)的意識(shí)，以及一切科學(xué)研究工作的本質(zhì)。從課題的提出到成功一直伴隨著“必修1”的正常教學(xué)，它們相互支撐、相互促進(jìn)。不僅讓學(xué)生體驗(yàn)了完整的科學(xué)研究過程，也強(qiáng)化了對(duì)“必修1”知識(shí)的理解。

參考文獻(xiàn)：

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（欄目編輯 ? ?鄧 ? 磊）