淺談對“研究勻變速直線運動”實驗的考查

摘要：“研究勻變速直線運動”實驗是高一物理的一個學生分組實驗，考查本實驗的試題很多，本文歸納近幾年對本實驗的考查。

關鍵詞：勻變速；直線運動；實驗

“研究勻變速直線運動”實驗是高一物理的一個學生分組實驗，通過學生的動手操作，要求學生能弄清原理，正確操作以及對實驗進行數據處理。近幾年考查本實驗的試題很多，本文重點歸納、探討對本實驗的考查。

一、 實驗裝置的類型

縱觀近幾年的高考和各省市模擬試題，考查本實驗裝置基本上有兩種類型。第一種類型是利用長木板、小車、打點計時器為主要儀器的經典力學裝置，如圖1所示。第二種類型是利用光電門、滑塊、斜面為主要儀器的實驗裝置，如圖6所示。

二、 考查實驗步驟

例1研究小車勻變速直線運動的實驗裝置如圖1所示。

實驗部分步驟如下：

A. 打點完畢，立即關閉電源。

B. 應先接通電源，待打點穩定后釋放小車。

C. 把打點計時器固定在斜面上并連接好紙帶。

上面正確的實驗步驟順序是：。（用字母填寫）

解析：上面正確的實驗步驟順序是：把打點計時器固定在斜面上并穿好紙帶，應先接通電源，待打點穩定后釋放小車，打點完畢，立即關閉電源。也就是CBA。

三、 考查在數據處理中求加速度

1. 考查用逐差法求加速度

例2某同學利用圖2裝置研究小車的勻變速直線運動。

（1）實驗中，必要的措施是。

A. 長木板必須與細線平行

B. 先釋放小車再接通電源

C. 鉤碼的質量遠小于小車的質量

D. 不要平衡長木板與小車間的摩擦力

（2）如圖3是打點計時器打下的一條紙帶。已知使用電源的交流電頻率為50Hz，相鄰兩計數點的時間間隔為0.1s。由圖3紙帶的數據可知，打E點時物體的速度vE=m/s，物體運動的加速度a=m/s2（結果保留兩位有效數字）。

解析：（1）利用長木板、小車、打點計時器等研究勻變速直線運動，必要的措施是：細線必須與長木板平行；先接通電源再釋放小車；不需要平衡摩擦力，不需要滿足鉤碼的質量遠小于小車的質量。因為只要讓小車做勻變速運動，因此選項是A。

（2）vE=xDFtDF=0.023+0.02622×0.1≈0.25m/s。

由Δx=aT2，T=0.10s和逐差法可得小車的加速度a=（sDE-sAB）+（sEF-sBC）+（sFG-sCD）9T2=0.30m/s2。

本題考查的逐差法給出的數據是偶數項的，但很多試題給出的數據是奇數項的。如圖3中給出的數據去掉FG，只有AB、BC、CD、DE、EF五組數據，這種奇數項的逐差法有兩種。第一種方法是去掉最開始的AB位移，則a=（DE+EF）-（BC+CD）4T2，第二種方法是去掉最中間的CD位移，則a=（DE+EF）-（AB+BC）6T2。

2. 考查用圖象求加速度

（1）利用st2圖象求加速度

例3如圖4是在“研究勻變速直線運動”實驗中打下的一條紙帶，E、D、C、B、A和O為紙帶上的計數點。用a表示物體運動的加速度大小。

（1）OD間的距離為cm。

（2）如圖5的st2圖線是根據實驗數據繪出的（s為E、D、C、B、A計數點到O點的距離），結合圖線可求得物體運動的加速度大小為m/s2（保留三位有效數字）。

解析：

（1）OD間距為1.20cm。

（2）由圖5的st2圖線的延長線過原點且圖線是直線，說明s與t2成正比，再由運動學的位移公式s=v0t+12at2可知，O點的速度為零，再由s=12at2可知，圖線的斜率表示加速度的一半，a=2×0.028-0.0020.06-0.004m/s2≈0.929m/s2。

（3）利用v-

SymbolDA@ t圖象求加速度

例4某興趣小組利用小車、光電門、擋光片等主要實驗儀器設計了如下實驗來研究小車在斜面上運動的瞬時速度和加速度。如圖6所示，在傾斜斜面的A處放置一光電門，讓載有擋光片（寬度為

SymbolDA@ s）的小車從P點靜止下滑，當小車經過傾斜斜面的A點時，放置在A處的光電門自動記錄下擋光片經過A點所經歷的時間

SymbolDA@ t。接下來，不斷改變擋光片的寬度重復上述實驗，得到如圖7表格中的數據。

（1）為什么每次小車必須從同一點P靜止下滑，請說明理由。

（2）興趣小組的某同學把圖7表格中的數據，在圖8中描出了數據點，請在圖8中把描出的數據點作出v-

SymbolDA@ t圖線。

（3）利用圖線得出擋光片的前邊緣通過A點時的瞬時速度vA=m/s；小車在斜面運動的加速度a=m/s2（保留三位有效數字）

解析：

（1）理由是保證小車每次初速度為零且每次小車沿斜面下滑擋光片的前邊緣到斜面A點的距離相同，也就是擋光片的前邊緣每次到達A點的速度相同。

（2）根據所描的數據點作出v-

SymbolDA@ t圖線如圖9所示。由運動學規律得：

SymbolDA@ s=vA

SymbolDA@ t+12a（

SymbolDA@ t）2，解得v=vA+12a

SymbolDA@ t，由v=vA+12a

SymbolDA@ t結合圖9圖線可知，圖線與縱軸的交點的縱坐標即為vA，將圖線延長與縱軸相交，得vA=0.550m/s，圖線的斜率等于12a，即12a=0.578-0.5540.1384-0.018m/s2，解得a≈0.399m/s2。也有試題在圖6中，在斜面A點上方和P點之間再放一個光電門B，光電門B可以移動，讓小車每次從P點靜止下滑，記下小車的擋光片經過A、B光電門的時間，用米尺量出兩個光電門的距離s，改變B光電門的位置，記下對應的s和t，根據所測的數據描出st-t，再由st-t求速度和加速度，vA=0.25m/s。

四、 考查在數據處理中求瞬時速度

1. 利用勻變速運動中間時刻的瞬時速度等于該段時間內的平均速度求解

上面的例2試題中，可得vE=DE+EF2T=0.25m/s

2. 利用圖線的坐標交點求速度

上面的例4試題中，由v=vA+12a

SymbolDA@ t結合圖9圖線可知，圖線與縱軸的交點的縱坐標即為vA，將圖線延長與縱軸相交，得vA=0.550m/s。

從上面的高考試題可以看出，高考對“研究勻變速直線運動”實驗的考查，主要是考查學生對實驗操作的掌握程度，對勻變速直線運動的基本規律的運用能力以及數據處理能力。解題時要搞清實驗的原理及其步驟，在處理圖象問題中，能通過運動學的基本公式入手，找到圖象的函數關系，再結合圖象的截距和斜率求解相關的物理量。

作者簡介：胡冰琳，福建省龍巖市，連城一中。