小車速度隨時(shí)間變化實(shí)驗(yàn)方案改進(jìn)研究

宣奇成

摘 要： 在高中物理學(xué)習(xí)中，關(guān)于力方面的知識(shí)點(diǎn)是課程學(xué)習(xí)中的重點(diǎn)內(nèi)容，同時(shí)是最晦澀難以理解的內(nèi)容，因此，在學(xué)習(xí)過(guò)程中，通過(guò)親手操作相關(guān)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，能夠加深對(duì)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的理解。本文以小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律這個(gè)實(shí)驗(yàn)為對(duì)象，以親身進(jìn)行實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過(guò)總結(jié)歸納，對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)方案從不同方面進(jìn)行一些改進(jìn)，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確有效，加深對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解。

關(guān)鍵詞： 小車速度隨時(shí)間變化 實(shí)驗(yàn)方案 改進(jìn)措施

一、引言

在高中物理的整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中，力學(xué)一方面是其中最重要也是最難以理解的內(nèi)容之一，另一方面，力學(xué)的內(nèi)容又貫穿后續(xù)的學(xué)習(xí)過(guò)程，是考試的重點(diǎn)，因此采用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)于掌握好力學(xué)知識(shí)至關(guān)重要。高中生應(yīng)當(dāng)清楚地認(rèn)識(shí)到物理實(shí)驗(yàn)對(duì)于深入學(xué)習(xí)和理解新知識(shí)的重要意義，在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中提高自身的動(dòng)手能力，培養(yǎng)自身的科學(xué)素養(yǎng)，達(dá)到較好的學(xué)習(xí)效果。下面以“小車速度隨時(shí)間變化”為例，從不同方面對(duì)該實(shí)驗(yàn)方案提出自己的改進(jìn)措施。

二、“小車速度隨時(shí)間變化”實(shí)驗(yàn)前的改進(jìn)

（一）“小車速度隨時(shí)間變化”實(shí)驗(yàn)前的改進(jìn)

在學(xué)生的觀念里，物理課程的重點(diǎn)在于課堂上教師的知識(shí)講解及課后的習(xí)題練習(xí)，對(duì)待物理實(shí)驗(yàn)通常不大上心，但實(shí)際上，物理實(shí)驗(yàn)的作用不僅僅是為了完成課程任務(wù)，因此要想在物理實(shí)驗(yàn)課程上能夠頗有收獲，首先要做到的是必須端正自己對(duì)物理實(shí)驗(yàn)課程的認(rèn)識(shí)，在端正認(rèn)識(shí)的前提下才能讓自己更投入。其次，對(duì)于實(shí)驗(yàn)中所使用的實(shí)驗(yàn)器材需要有所了解，在“小車速度隨時(shí)間變化”的實(shí)驗(yàn)中用到的實(shí)驗(yàn)器材有小車、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、細(xì)繩、砝碼、一端帶有滑輪的長(zhǎng)木板、刻度尺、紙帶等，其中打點(diǎn)計(jì)時(shí)器作為其中重要的實(shí)驗(yàn)儀器，實(shí)驗(yàn)之前對(duì)其工作原理和工作方式進(jìn)行了解，對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理解非常有幫助。然后，對(duì)于課本中給出的實(shí)驗(yàn)方案也需要提前進(jìn)行預(yù)習(xí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄、實(shí)驗(yàn)步驟等內(nèi)容提前了解，這樣在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中才能做到胸有成竹。最后，實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行一些思考，為自己設(shè)置一些問(wèn)題能夠幫助自身加深對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解、發(fā)散思維，比如重物質(zhì)量的變化是否對(duì)小車速度隨時(shí)間的變化規(guī)律有影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理能不能有更簡(jiǎn)單的方法等。

（二）“小車速度隨時(shí)間變化”實(shí)驗(yàn)過(guò)程的改進(jìn)

圖1所示的是該實(shí)驗(yàn)的裝置，具體步驟是，先將帶滑輪的長(zhǎng)木板放置在桌上，保證滑輪一端超出桌子邊緣，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器則固定在長(zhǎng)木板的另一端，再把電路部分完成；接著，將細(xì)繩的一頭綁住小車，另一頭則掛上砝碼，并且細(xì)繩要跨在輪滑上，紙帶一頭要穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，另一頭與小車相連；然后，將小車放置在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器附近，接通電源，釋放小車，小車在砝碼質(zhì)量作用力下拉著紙帶一起運(yùn)動(dòng)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上留下小點(diǎn)；最后，將以上步驟重復(fù)實(shí)驗(yàn)兩次，再增減使用砝碼的重量，按以上步驟重復(fù)兩次實(shí)驗(yàn)。

圖1 “小車速度隨時(shí)間變化”實(shí)驗(yàn)裝置

在自身實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，雖然按照以上步驟進(jìn)行操作，但是仍然出現(xiàn)了一些問(wèn)題：小車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中卡殼、搖晃、不流暢，無(wú)法得到有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；紙帶上的點(diǎn)過(guò)密或者個(gè)數(shù)太少；紙帶上的點(diǎn)間距變化不規(guī)律，等等，通過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)、分析、故障排查，在“小車速度隨時(shí)間變化”的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，還需要做以下方面的改進(jìn)以提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性。

第一，在將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器紙帶限位器固定在長(zhǎng)木板上之前，必須保證二者在縱軸位置平齊，使得滑輪、細(xì)繩、小車、紙帶處于同一條直線位置上，避免在小車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于實(shí)驗(yàn)器材的位置不對(duì)齊產(chǎn)生多余的摩擦外力導(dǎo)致小車卡殼、搖晃、運(yùn)動(dòng)流暢。此外，為避免同樣的問(wèn)題，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、與長(zhǎng)木板也必須保證平齊[1]。第二，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所打的點(diǎn)過(guò)密或太疏的直接原因是砝碼的重量不合理，砝碼數(shù)量直接影響小車受到的牽引力的大小，牽引力大，紙帶上的點(diǎn)太少，牽引力小，紙帶上的點(diǎn)過(guò)密，這些對(duì)實(shí)驗(yàn)分析都產(chǎn)生不良影響。因此，在實(shí)驗(yàn)中必須選擇合適的砝碼個(gè)數(shù)，質(zhì)量控制在100克以內(nèi)為宜，或者由于單個(gè)砝碼的質(zhì)量是固定的，不宜控制小車?yán)?，可以采用將砝碼用塑料小桶和細(xì)沙代替，小桶與細(xì)沙的質(zhì)量可以通過(guò)電子秤測(cè)量得到，這樣更方便小車?yán)Υ笮〉目刂?。第三，滑輪的高度也必須加以控制，?dāng)細(xì)繩跨過(guò)時(shí)細(xì)繩與長(zhǎng)木板保持平行時(shí)最佳，還可以將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器一端稍微抬高，使輕推小車時(shí)，小車可以平穩(wěn)運(yùn)行，這樣做的是為了消除小車在運(yùn)行中受到的摩擦阻力，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（三）“小車速度隨時(shí)間變化”實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的改進(jìn)

在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)，往往是將獲得的紙帶舍去開(kāi)頭的密集點(diǎn)的部分，然后確定一個(gè)起點(diǎn)，以五個(gè)點(diǎn)的時(shí)間間隔為單位時(shí)間，測(cè)量每五個(gè)點(diǎn)之間的距離S■，S■，S■……再計(jì)算出v的值，從而做出v-t圖，最終得到小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律。

這種數(shù)據(jù)處理方式明顯存在誤差：其一，在測(cè)量過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差；其二，在計(jì)算v的過(guò)程中，容易出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤，此外，還有計(jì)算結(jié)果舍去的誤差；其三，在作v-t圖像時(shí)，作圖的能力的差異將產(chǎn)生誤差。這些誤差逐層累積，最終導(dǎo)致v-t圖像并非預(yù)期的那樣是一條嚴(yán)格的直線，為此，采用粘紙帶的數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行代替。

選取合適的一段紙帶，將紙帶每隔0.1s剪斷，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所打的點(diǎn)都保留在紙條的同一側(cè)，便得到若干條相同時(shí)間間隔的短紙帶，然后將這些紙帶并排貼在紙上，在貼的過(guò)程中，紙條不帶點(diǎn)的一端對(duì)齊，作為v-t圖像的時(shí)間軸，標(biāo)明時(shí)間刻度，紙條的另一端的中間位置上有打的點(diǎn)，將這些點(diǎn)連接起來(lái)，就得到了所求的v-t圖像，如圖2所示。

圖2 粘紙帶方法得到的圖像

該處理方法的依據(jù)是很短時(shí)間某點(diǎn)的瞬時(shí)速度等于該段時(shí)間內(nèi)的平均速度，v-t圖體現(xiàn)的是每段時(shí)間中點(diǎn)時(shí)的速度與時(shí)間的關(guān)系，為了結(jié)果更精確，可以在所打的紙帶上每隔6個(gè)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，也就是說(shuō)每隔0.12s剪斷紙帶，這樣更方便標(biāo)注出每一段紙帶上的中間點(diǎn)，再按上面的步驟處理，最后連接的是中間點(diǎn)，最終得到每隔0.06s的速度和時(shí)間的關(guān)系[2]。

三、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中認(rèn)真思考，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，不斷改進(jìn)和完善實(shí)驗(yàn)方案，提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和有效性，對(duì)于相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解和科學(xué)研究能力都有很大促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳好.實(shí)驗(yàn)：探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律[J].新高考（高一物理），2014（8）.

[2]徐翠玉.高中物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的實(shí)踐研究[D].山東師范大學(xué)，2015.