勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

劉璐寧

摘要：高中物理作為高中生的重要學(xué)科之一，具有較高的抽象性。邏輯性和實(shí)踐性，而物理實(shí)驗(yàn)作為高中物理學(xué)科重要教學(xué)內(nèi)容，在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和物理學(xué)科素養(yǎng)方面具有重要作用，現(xiàn)以“研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律”實(shí)驗(yàn)為例，從實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析等方面入手，為實(shí)現(xiàn)對(duì)該實(shí)驗(yàn)的科學(xué)設(shè)計(jì)提出具有建設(shè)性的建議。希望通過這次研究，為物理教師提供有效的借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：勻變速直線;運(yùn)動(dòng)規(guī)律;實(shí)驗(yàn);設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)原理

通過計(jì)算小車位移、速度和加速度，判斷小車運(yùn)動(dòng)是否為勻變速直線運(yùn)動(dòng)，有利于更好地引導(dǎo)學(xué)生深入理解勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并熟練掌握和應(yīng)用該規(guī)律。在本次實(shí)驗(yàn)中，在鉤碼的作用下，小車開始做勻變速直線運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，鉤碼的重力為小車的運(yùn)動(dòng)提供了一定的動(dòng)力，要想保證小車做加速運(yùn)動(dòng)，必要要確保鉤碼自身重力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過小車自身所受到的的滑動(dòng)摩擦力，因此，在本次實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生不需要對(duì)小車的摩擦力進(jìn)行平衡。同時(shí)，為了提高計(jì)數(shù)點(diǎn)選取的方便性，縮小實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差，學(xué)生要通過加大鉤碼的重力，盡可能提高小車的加速度，以達(dá)到提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的目的。

實(shí)驗(yàn)器材

本次實(shí)驗(yàn)所使用的的器材主要有以下幾種：紙帶、電火花計(jì)時(shí)器、小車、含有滑輪的長木板、實(shí)驗(yàn)桌面、刻度尺、鉤碼等。

實(shí)驗(yàn)步驟

本次實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，將含有滑輪的長木板放置于實(shí)驗(yàn)桌面上，并將滑輪懸空在桌面外[1]，同時(shí)，在長木板無滑輪的一端上安裝和固定電火花計(jì)時(shí)器，并完成對(duì)電路的正確連接。（2）用一只手將小車摁住，然后，用另一只手將鉤碼鉤在細(xì)繩另一端的彎鉤上，并讓細(xì)繩穿過定滑輪[2]，同時(shí)，將電火花計(jì)時(shí)器內(nèi)部穿過一條長長的紙帶，并在小車的后面固定紙帶的另一端。（3）在靠近電火花計(jì)時(shí)器位置處放置小車，將電源接通后，讓小車攜帶者紙帶進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，電火花計(jì)時(shí)器會(huì)自動(dòng)在紙帶上打出若干個(gè)小點(diǎn)。然后，更換新的紙帶，重復(fù)實(shí)驗(yàn)三次[3]。（4）從三條含有不同計(jì)數(shù)點(diǎn)的紙帶中選出比較理想的紙帶，并舍棄紙帶開頭比較密集的計(jì)數(shù)點(diǎn)，并找出容易測量的一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)作為起始點(diǎn)[4]。將平均每打五次計(jì)數(shù)點(diǎn)的時(shí)間作為時(shí)間周期T，即T=0.02×5=0.1s。（5）然后，將測出的數(shù)據(jù)填入到表1中。

數(shù)據(jù)預(yù)處理

將靠近起始點(diǎn)的每一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)設(shè)置為0號(hào)計(jì)數(shù)點(diǎn)，然后，一個(gè)4個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)為間隔，分別標(biāo)出1、2、3、4、5、6點(diǎn)，確保平均每兩點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為0.1s，勻變速直線運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)如表1所示。然后，以紙帶上的0點(diǎn)位起始點(diǎn)，將測量出測試點(diǎn)與原點(diǎn)之間的距離分別設(shè)置為x1、x2、x3、x4、x5、x6，然后使用刻度尺精確測量出這些值。

數(shù)據(jù)處理

5.1計(jì)數(shù)點(diǎn)的選取

在本次實(shí)驗(yàn)中，由于紙帶上打下的計(jì)數(shù)點(diǎn)比較多，因此，學(xué)生要按照一定的周期性，從大量的計(jì)數(shù)點(diǎn)中選出部分打點(diǎn)，作為定量分析小車拖動(dòng)紙帶后所表現(xiàn)出的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。此外，在選取計(jì)數(shù)點(diǎn)的過程中，學(xué)生要科學(xué)選擇和確定計(jì)數(shù)起點(diǎn)以及計(jì)數(shù)周期[5]。另外，本次實(shí)驗(yàn)第一個(gè)打點(diǎn)沒有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，因此，學(xué)生可以在舍棄開頭比較密集的計(jì)數(shù)點(diǎn)后，選出一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)作為起點(diǎn)，同時(shí)，為了有效地消除打點(diǎn)周期的偏差，學(xué)生還要將計(jì)數(shù)點(diǎn)周期T設(shè)置為0.02s的偶數(shù)倍。

5.2位移大小的測量

為了保證位移大小測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，學(xué)生通過使用刻度尺，對(duì)位移進(jìn)行精確測量，盡可能縮小測量誤差。首先，要分別測量出各個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)與計(jì)數(shù)起始點(diǎn)之間的距離，然后，分別精確計(jì)算出各個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的距離，如x1、x2、x3、x4、x5、x6。

5.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與加速度計(jì)算

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，在相同的時(shí)間內(nèi)，各個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的位移差大致相同，這說明小車做勻變速直線運(yùn)動(dòng)。通過利用瞬時(shí)速度求解公式，精確求解出小車在某一計(jì)數(shù)點(diǎn)的瞬時(shí)速度，然后，繪制出v-t圖像，根據(jù)v-t圖像斜率，快速求解小車的加速度，經(jīng)過計(jì)算得知小車的加速度為3.33m/s2。

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山東臨沂第一中學(xué)