用氣墊導軌探究位移與速度的關系

摘要:教材必修1中，位移與速度的關系式是利用速度公式與位移公式結合推導而出，學生容易產生質疑，而且也不符合新課程理念，因此筆者設計一個實驗探究物理公式的方案。

關鍵詞:氣墊導軌;光電門;數字毫秒計;速度的平方差;位移

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A文章編號:1003-6148(2010)9(S)-0078-2

1 引言

高中物理必修一第二章第4節勻變速直線運動的位移與速度的關系中，位移與速度的關系式是利用勻變速直線運動速度公式與位移公式聯立消去t推導而出。學生印象不深，被動接受，這與新課程理念培養學生科學探究精神很不相符。筆者經過認真思考和多次實踐，用氣墊導軌成功探究，得出了位移與速度的平方差成正比例關系。

2 實驗裝置

如圖1所示，帶有刻度的氣墊導軌一端被木塊墊高，另一端放有厚厚的緩沖軟墊，導軌上有一帶有寬為0.5cm的擋光片的滑塊，兩個光電門安裝在光電門支架上，支架可固定在氣墊導軌上也可移動，光電門通過電纜與數字毫秒計相連。

3 實驗原理

滑塊在氣墊導軌上從一固定點(擋光片正下方)作初速度為零的勻加速直線運動，先只安裝光電門1，固定點與光電門1的距離即為滑塊運動的位移大小，利用數字毫秒計可算出滑塊通過光電門1時對應的瞬時速度，移動光電門1可得多組數據，可探究初速度為零條件下的位移與速度的關系;在適當的地方固定光電門1，安裝光電門2，滑塊先后通過光電門1和光電門2，移動光電門2可得多組數據，則可探究初速度不為零條件下的位移與速度的關系。

4 實驗方法

(1)把氣墊導軌一端略抬高并固定，給其充氣并調節，直至滑塊能在導軌上自由滑動為止。

(2)固定一釋放點，滑塊每次均從此點靜止出發。

(3)在氣墊導軌上安裝光電門1且距離釋放點較近，記錄此時光電門離釋放點的距離x1(位移)，接通數字毫秒計，插接好光電門的插頭，按動數字毫秒計的功能鍵，選擇功能1，使數字毫秒計處于記錄遮光計時狀態。

(4)讓滑塊從釋放點靜止出發，待滑塊靜止于厚緩沖軟墊處后，讀出此時數字毫秒計的示數，即為擋光片通過光電門的時間t1。

(5)從厚緩沖軟墊處把滑塊放回釋放點，移動光電門1，重復(3)、(4)過程多次，得到多組位移與時間數據，數據見表1。

(6)在氣墊導軌上安裝光電門1且距離釋放點較近并固定，在稍遠處安裝光電門2 ，記錄此時光電門2離光電門1的距離x1/(位移)，接通數字毫秒計，插接好光電門的插頭，按動數字毫秒計的功能鍵，選擇功能1，使數字毫秒計處于記錄遮光計時狀態。

(7)讓滑塊從釋放點靜止出發，待滑塊靜止于厚緩沖軟墊處后，讀出此時擋光片通過光電門1的時間t1、擋光片通過光電門2的時間t2。

(8)從厚緩沖軟墊處把滑塊放回釋放點，移動光電門2，重復(6)、(7)過程多次，得到多組位移與時間數據，數據見表2。

5 實驗結果

(1)用氣墊導軌探究位移與速度的關系測得的實驗數據見表1(只有安裝光電門1的情況)。其中擋光片的寬度為0.5cm，初速度為零。表1

x/mt/msv/m#8226;s-1v2/m2#8226;s-2

0.056.000.830.68

0.104.201.191.41

0.152.901.722.95

0.202.402.084.32

0.252.002.56.25

對應速度的平方與位移的關系圖像:

(2)用氣墊導軌探究位移與速度的關系測得的實驗數據見表2(安裝光電門1、光電門2的情況)。其中擋光片的寬度為0.5cm。初速度均為v1。

表2

x/mt1/mst2/msv1/m#8226;s-1v2/m#8226;s-1(v22-v12)/m2#8226;s-2

0.056.86.10.7350.8190.13

0.106.85.20.7350.9610.38

0.156.84.60.7351.0860.64

0.206.84.00.7351.2501.02

0.256.93.70.7251.3501.30

對應速度的平方差與位移的關系圖像:

分析圖象可知，在誤差允許的范圍內，速度的平方差與位移成正比，并可根據圖像的斜率求出比例系數k的值。

6 誤差分析

滑塊與氣墊導軌間摩擦無法消除，無法保證滑塊每次均從靜止出發，長度與時間測量也有誤差。

7 實驗拓展

把兩個光電門均接到一個數字毫秒計上，則可測出滑塊通過整個位移的時間，利用加速度的定義式可求出加速度，再與比例系數k的值比較，可得出k=2a，在誤差允許的范圍內，綜合可得:v22-v12=2ax。

8 實驗裝置的優勢

(1)選材容易，組合簡單，滑塊、氣墊導軌、光電門、支架、數字毫秒計等都是現在中學實驗室常見的器材。

(2)操作簡便，可見度高，實驗時，可讓學生操作，老師在旁邊指點即可。讀出的數據及時輸入電腦，實驗完畢，即可利用Excel-2003軟件處理數據得出結論。

(3)體現新課程理念。物理公式可通過實驗得出也可通過實驗驗證，并且此實驗教師完全可放手，引導學生完成實驗操作。實驗過程體現了“猜想——探究——驗證”的課改思想，激發了學生的科學探究熱情，培養了其主動參與意識、動手和觀察能力。

參考文獻:

[1]杜方炳. 重力加速度測量儀的設計[J].物理實驗，2007，27:27~28

[2]崔建坡. 氣墊導軌實驗中極限法測速度的分析與討論[J].物理實驗，2007，27:32~33

(欄目編輯張正嚴)