勻變速直線運動規律的實驗設計

劉璐寧

摘要：高中物理作為高中生的重要學科之一，具有較高的抽象性。邏輯性和實踐性，而物理實驗作為高中物理學科重要教學內容，在培養學生的實驗動手能力和物理學科素養方面具有重要作用，現以“研究勻變速直線運動規律”實驗為例，從實驗原理、實驗器材和實驗步驟、實驗數據分析等方面入手，為實現對該實驗的科學設計提出具有建設性的建議。希望通過這次研究，為物理教師提供有效的借鑒和參考。

關鍵詞：勻變速直線;運動規律;實驗;設計

實驗原理

通過計算小車位移、速度和加速度，判斷小車運動是否為勻變速直線運動，有利于更好地引導學生深入理解勻變速直線運動規律，并熟練掌握和應用該規律。在本次實驗中，在鉤碼的作用下，小車開始做勻變速直線運動，此時，鉤碼的重力為小車的運動提供了一定的動力，要想保證小車做加速運動，必要要確保鉤碼自身重力遠遠超過小車自身所受到的的滑動摩擦力，因此，在本次實驗中，學生不需要對小車的摩擦力進行平衡。同時，為了提高計數點選取的方便性，縮小實驗結果的誤差，學生要通過加大鉤碼的重力，盡可能提高小車的加速度，以達到提高實驗結果準確性的目的。

實驗器材

本次實驗所使用的的器材主要有以下幾種：紙帶、電火花計時器、小車、含有滑輪的長木板、實驗桌面、刻度尺、鉤碼等。

實驗步驟

本次實驗操作步驟如下：（1）根據實驗原理，將含有滑輪的長木板放置于實驗桌面上，并將滑輪懸空在桌面外[1]，同時，在長木板無滑輪的一端上安裝和固定電火花計時器，并完成對電路的正確連接。（2）用一只手將小車摁住，然后，用另一只手將鉤碼鉤在細繩另一端的彎鉤上，并讓細繩穿過定滑輪[2]，同時，將電火花計時器內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）在靠近電火花計時器位置處放置小車，將電源接通后，讓小車攜帶者紙帶進行運動，此時，電火花計時器會自動在紙帶上打出若干個小點。然后，更換新的紙帶，重復實驗三次[3]。（4）從三條含有不同計數點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數點，并找出容易測量的一個計數點作為起始點[4]。將平均每打五次計數點的時間作為時間周期T，即T=0.02×5=0.1s。（5）然后，將測出的數據填入到表1中。

數據預處理

將靠近起始點的每一個計數點設置為0號計數點，然后，一個4個計數點為間隔，分別標出1、2、3、4、5、6點，確保平均每兩點之間的時間間隔為0.1s，勻變速直線運動數據如表1所示。然后，以紙帶上的0點位起始點，將測量出測試點與原點之間的距離分別設置為x1、x2、x3、x4、x5、x6，然后使用刻度尺精確測量出這些值。

數據處理

5.1計數點的選取

在本次實驗中，由于紙帶上打下的計數點比較多，因此，學生要按照一定的周期性，從大量的計數點中選出部分打點，作為定量分析小車拖動紙帶后所表現出的運動規律。此外，在選取計數點的過程中，學生要科學選擇和確定計數起點以及計數周期[5]。另外，本次實驗第一個打點沒有實際的應用價值，因此，學生可以在舍棄開頭比較密集的計數點后，選出一個計數點作為起點，同時，為了有效地消除打點周期的偏差，學生還要將計數點周期T設置為0.02s的偶數倍。

5.2位移大小的測量

為了保證位移大小測量結果的準確性，學生通過使用刻度尺，對位移進行精確測量，盡可能縮小測量誤差。首先，要分別測量出各個計數點與計數起始點之間的距離，然后，分別精確計算出各個計數點之間的距離，如x1、x2、x3、x4、x5、x6。

5.3實驗結果分析與加速度計算

從表1中的數據可以看出，在相同的時間內，各個計數點之間的位移差大致相同，這說明小車做勻變速直線運動。通過利用瞬時速度求解公式，精確求解出小車在某一計數點的瞬時速度，然后，繪制出v-t圖像，根據v-t圖像斜率，快速求解小車的加速度，經過計算得知小車的加速度為3.33m/s2。

參考文獻：

[1]王宗斌.三種研究勻變速直線運動規律的實驗方法[J].數理化解題研究（高中版），2020：37-39.

[2]胡冰琳.淺談對"研究勻變速直線運動"實驗的考查[J].考試周刊，2020，（A4）：3-4.DOI：10.3969/j.issn.1673-8918.2020.A4.003.

[3]葛東兵，牛文倩.勻變速直線運動實驗及其數據處理的研究[J].課程教育研究（新教師教學），2020，（10）：262-262.

[4]楊冬末，彭朝陽.Tracker軟件在勻變速直線運動實驗中的應用[J].湖南中學物理，2016，（010）.

山東臨沂第一中學