全面剖析研究勻變速直線運動實驗的兩種方法

張曉宇

學(xué)科核心素養(yǎng)集中體現(xiàn)在學(xué)科的育人價值,是學(xué)生通過學(xué)科不斷學(xué)習(xí)從而逐步形成的正確價值觀、必備品格和重要能力。物理學(xué)科的核心素養(yǎng)包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個方面。

物理實驗中是如何體現(xiàn)學(xué)科核心素養(yǎng)呢?文章從物理教材以及高考題目中選擇兩個例題進(jìn)行剖析,以求解決學(xué)生對勻變速直線運動這類高考重點實驗問題,不會解題方法的困境。

在研究勻變速直線運動中,通常需測量兩個重要物理量,一個是速度,另一個是加速度。通常對這兩個測量的考查主要有兩種方法,一種是利用打點計時器進(jìn)行測量,另一種是利用光電門進(jìn)行測量,下面就這兩種方法對研究勻變速直線運動進(jìn)行全面剖析。

一、利用打點計時器研究勻變速直線運動

(一)實驗裝置及注意點

(1)無須平衡摩擦。

(2)無需鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量。

(3)紙帶、細(xì)繩要與長木板平行。

(4)釋放小車前,應(yīng)使小車停在距打點計時器近的位置。

(5)實驗時應(yīng)先接通電源后釋放紙帶。

(6)在小車到達(dá)長木板前應(yīng)讓小車立即停止,避免小車與滑輪發(fā)生碰撞。

(7)小車的加速度應(yīng)該適當(dāng)大點,用來減小長度測量出現(xiàn)的誤差。

(二)數(shù)據(jù)處理

(1)勻變速直線運動的判斷標(biāo)準(zhǔn):若x2-x1=x3-x2=…=x6-x5=常量,則小車做勻變速直線運動,即要求x1、x2、x3、x4、x5、x6成等差數(shù)列。

(2)瞬時速度的計算:

(4)紙帶推論:xn-xm=(n-m)aT2。

(三)誤差分析

【例1】穎菲同學(xué)用如下圖甲所示的實驗裝置探究物體的速度與時間的關(guān)系。

(1)電磁式打點計時器接(填“直流”或“交流”)電源,當(dāng)電壓頻率是50Hz時,電磁式打點計時器每打一個點隔秒。

(2)根據(jù)電磁式打點計時器打出的紙帶,我們從紙帶上可以直接得到的物理量是。

A.紙帶位移 B.紙帶平均速度

C.紙帶時間間隔 D.紙帶瞬時速度

(3)下面關(guān)于電磁式打點計時器的使用情況,正確的是。

A.在測量物體速度時,物體先運動,然后再接通電磁式打點計時器的電源

B.電磁式打點計時器使用的是12V以下的直流電源

C.打在紙帶上的點越密集,表明運動的物體越快

D.使用的交流電源的頻率高,打點計時器在紙帶上打的點時間間隔就越小

(4)實驗剛開始,應(yīng)把打點計時器放在小車附近,先再(“打開電源”或者“放開小車”)。

(5)穎菲同學(xué)將小車的運動情況用電磁式打點計時器記錄下來,已知電磁式打點計時器的打點周期T=0.02s。在紙帶上選取A,B,C,D,E5個計數(shù)點,其中取每五個點為一個計數(shù)點,如圖乙所示測得相鄰計數(shù)點間的長度。用紙帶上所給的數(shù)據(jù),通過計算得出小車在B點的瞬時速度vB=m/s,方向為(選填“由A指向C”或“由C指向A”)以及小車的加速度a=m/s2(結(jié)果均保留小數(shù)點后2位)。

(6)穎菲同學(xué)改變懸掛在繩上的鉤碼個數(shù),得到如圖丙和丁所示的2條紙帶,對每條紙帶,每5個點作為1個計數(shù)點,用剪刀剪斷相鄰計數(shù)點間的紙帶,在坐標(biāo)紙上把這些剪斷的紙條固定好,把紙條上端中心位置連起來,由圖可知,丙圖中的加速度丁圖中的加速度(選填“等于”“大于”或“小于”)。

(7)如果當(dāng)時交變電流的頻率是f=51Hz,而計算時仍按f=50Hz處理,那么速度的測量值將(選填“偏大”“偏小”或“相等”)。

解析：(1)打點計時器所用電源為交流電,頻率為50Hz,周期為0.02s,打點計時器每隔0.02s打一個點。

(2)電磁打點計時器在隨物體一起運動的紙帶上每隔0.02s打下一個點,點的間隔就反映了物體的位置變化情況,所用可以從紙帶上直接得到位移;通過數(shù)點的多少可以得到運動的時間間隔。平均速度和瞬時速度都不能直接得到,故選AB。

(3)A.在測量物體速度時,先接通打點計時器的電源,打點穩(wěn)定后,再讓物體運動,A錯誤。

B.電磁打點計時器使用的是低壓交流電,B錯誤。

C.打在紙帶上的點越密集,說明物體在相同t內(nèi)的位移越小,物體應(yīng)運動得慢,C錯誤。

D.由周期和頻率之間互為倒數(shù)可知,電源頻率高,周期小,紙帶上的點時間間隔就越小,D正確。

(4)實驗開始時,把打點計時器挨著小車,應(yīng)將電源先打開再把小車放開。

(6)如圖將紙帶上端中心連起來,得到的傾斜直線,圖像表示紙帶的v—t圖,加速度由圖像斜率來表示,所以丙圖中的a丙小于丁圖中的a丁。

點評：本題從實驗原理、儀器選擇、實驗操作、數(shù)據(jù)處理、注意事項和誤差分析等方面對該實驗進(jìn)行了全面的復(fù)習(xí),同時在數(shù)據(jù)處理上還對該實驗進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計:即將紙帶剪斷后用相同的坐標(biāo)紙粘貼,然后紙帶上端中心連起來,形象地得到了v—t圖像,從而可知其斜率表示加速度大小。

二、利用光電門研究勻變速直線運動

(一)工作原理

光電門工作原理當(dāng)光源發(fā)射的激光被傳感器接收到時計時器不工作,有遮光片經(jīng)過光電門、擋住激光時計時器開始工作,當(dāng)遮光片離開后激光再次被傳感器接收到,計時器就停止計時,這樣計時器就記錄了遮光片的擋光時間Δt。

(二)兩種速度和加速度的測量方法

1.測量遮光時間Δt

2.測量兩次經(jīng)過光電門的時間間隔t

【例2】某中學(xué)物理小組用光電門測定重力加速度,他們討論出以下兩種方案。

方案一:小組一利用圖甲的實驗器材測定重力加速度。實驗器材有:固定底座、小鋼珠釋放器(可使小鋼珠無初速釋放)、網(wǎng)兜、小鋼珠、光電門1和2組成的光電計時器、帶有標(biāo)尺的豎直桿。實驗過程中保持光電門2的位置不變,改變光電門1的位置,用光電計時器記錄小鋼珠從光電門1運動至光電門2的時間t,并從豎直桿上讀出兩光電門間的距離h。

(1)若當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間,小鋼珠經(jīng)過光電門2的速度為v,不計空氣阻力,則t、h、v、g四個物理量之間關(guān)系為h=;

方案二:小組二利用如圖裝置測定當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?。直徑為D的小球靜止下落過程中,先后通過光電門A、B,用小球通過光電門的平均速度表示小球球心通過光電門的瞬時速度,光電門測出小球通過A、B的時間分別為tA、tB。測出兩光電門間的距離為h,則:

(2)當(dāng)?shù)氐闹亓為。

(4)僅考慮小鐵球直徑對實驗的影響,g的測量值(選填“偏大”“偏小”“無影響”);僅考慮空氣阻力對實驗的影響,g的測量值(選填“無影響”“偏大”“偏小”),該誤差屬于(“系統(tǒng)誤差”或“偶然誤差”)。

(4)作出小球作自由落體運動的v—t圖像如圖所示,A、B間距h指小球經(jīng)A開始計時,到經(jīng)B結(jié)束計時的位移,而vA、vB對應(yīng)的真實間距為C、D間距。

點評：兩種方案均結(jié)合自由落體運動情境采用光電門測量重力加速度,該實驗方案較為新穎,符合新高考對情境化理念的要求。方案二計算鋼球速度時,需要考慮鋼球自身直徑對速度測量的影響,結(jié)合v—t圖像可分析出:重力加速度測量產(chǎn)生誤差的原因是計算初、末速度與實際位移不對應(yīng),這在一定程度上加深了學(xué)生對勻變速直線運動的理解。相較于傳統(tǒng)的打點計時器測量加速度的實驗方法,借助光電門測量使得實驗操作更加簡潔,結(jié)果更為精確。光電門測量加速度的方案,符合新高考對學(xué)生物理實驗?zāi)芰Φ目疾?借助圖像進(jìn)行誤差分析考查學(xué)生的圖像處理能力及科學(xué)思維。

三、結(jié)語

以上兩個示例通過多維度設(shè)問的方式,讓學(xué)生對該實驗層層遞進(jìn),由淺入深,全面復(fù)習(xí)實驗研究勻變速直線運動,通過教材實驗方案采用打點計時器和創(chuàng)新方案采用光電門測量速度,進(jìn)而測量加速度。復(fù)習(xí)過程既全面,又可以讓學(xué)生進(jìn)行比對理解,加深學(xué)生對實驗的理解。