小車速度隨時間變化實驗方案改進研究

宣奇成

摘 要： 在高中物理學習中，關于力方面的知識點是課程學習中的重點內容，同時是最晦澀難以理解的內容，因此，在學習過程中，通過親手操作相關力學實驗，能夠加深對相應知識點的理解。本文以小車速度隨時間變化的規律這個實驗為對象，以親身進行實驗為基礎，通過總結歸納，對現有的實驗方案從不同方面進行一些改進，使實驗結果更準確有效，加深對相關知識點的理解。

關鍵詞： 小車速度隨時間變化 實驗方案 改進措施

一、引言

在高中物理的整個學習過程中，力學一方面是其中最重要也是最難以理解的內容之一，另一方面，力學的內容又貫穿后續的學習過程，是考試的重點，因此采用實驗的方法對于掌握好力學知識至關重要。高中生應當清楚地認識到物理實驗對于深入學習和理解新知識的重要意義，在實驗操作過程中提高自身的動手能力，培養自身的科學素養，達到較好的學習效果。下面以“小車速度隨時間變化”為例，從不同方面對該實驗方案提出自己的改進措施。

二、“小車速度隨時間變化”實驗前的改進

（一）“小車速度隨時間變化”實驗前的改進

在學生的觀念里，物理課程的重點在于課堂上教師的知識講解及課后的習題練習，對待物理實驗通常不大上心，但實際上，物理實驗的作用不僅僅是為了完成課程任務，因此要想在物理實驗課程上能夠頗有收獲，首先要做到的是必須端正自己對物理實驗課程的認識，在端正認識的前提下才能讓自己更投入。其次，對于實驗中所使用的實驗器材需要有所了解，在“小車速度隨時間變化”的實驗中用到的實驗器材有小車、打點計時器、細繩、砝碼、一端帶有滑輪的長木板、刻度尺、紙帶等，其中打點計時器作為其中重要的實驗儀器，實驗之前對其工作原理和工作方式進行了解，對于實驗結果的理解非常有幫助。然后，對于課本中給出的實驗方案也需要提前進行預習，對實驗數據的記錄、實驗步驟等內容提前了解，這樣在實驗過程中才能做到胸有成竹。最后，實驗前進行一些思考，為自己設置一些問題能夠幫助自身加深對實驗的理解、發散思維，比如重物質量的變化是否對小車速度隨時間的變化規律有影響，實驗數據的處理能不能有更簡單的方法等。

（二）“小車速度隨時間變化”實驗過程的改進

圖1所示的是該實驗的裝置，具體步驟是，先將帶滑輪的長木板放置在桌上，保證滑輪一端超出桌子邊緣，打點計時器則固定在長木板的另一端，再把電路部分完成；接著，將細繩的一頭綁住小車，另一頭則掛上砝碼，并且細繩要跨在輪滑上，紙帶一頭要穿過打點計時器，另一頭與小車相連；然后，將小車放置在打點計時器附近，接通電源，釋放小車，小車在砝碼質量作用力下拉著紙帶一起運動，打點計時器在紙帶上留下小點；最后，將以上步驟重復實驗兩次，再增減使用砝碼的重量，按以上步驟重復兩次實驗。

圖1 “小車速度隨時間變化”實驗裝置

在自身實驗的過程中發現，雖然按照以上步驟進行操作，但是仍然出現了一些問題：小車運動過程中卡殼、搖晃、不流暢，無法得到有效的實驗數據；紙帶上的點過密或者個數太少；紙帶上的點間距變化不規律，等等，通過反復的實驗、分析、故障排查，在“小車速度隨時間變化”的實驗過程中，還需要做以下方面的改進以提高實驗結果的有效性和準確性。

第一，在將打點計時器紙帶限位器固定在長木板上之前，必須保證二者在縱軸位置平齊，使得滑輪、細繩、小車、紙帶處于同一條直線位置上，避免在小車運動過程中由于實驗器材的位置不對齊產生多余的摩擦外力導致小車卡殼、搖晃、運動流暢。此外，為避免同樣的問題，打點計時器、紙帶、與長木板也必須保證平齊[1]。第二，打點計時器所打的點過密或太疏的直接原因是砝碼的重量不合理，砝碼數量直接影響小車受到的牽引力的大小，牽引力大，紙帶上的點太少，牽引力小，紙帶上的點過密，這些對實驗分析都產生不良影響。因此，在實驗中必須選擇合適的砝碼個數，質量控制在100克以內為宜，或者由于單個砝碼的質量是固定的，不宜控制小車拉力，可以采用將砝碼用塑料小桶和細沙代替，小桶與細沙的質量可以通過電子秤測量得到，這樣更方便小車拉力大小的控制。第三，滑輪的高度也必須加以控制，當細繩跨過時細繩與長木板保持平行時最佳，還可以將打點計時器一端稍微抬高，使輕推小車時，小車可以平穩運行，這樣做的是為了消除小車在運行中受到的摩擦阻力，保證實驗結果的準確性。

（三）“小車速度隨時間變化”實驗數據處理的改進

在實驗數據處理時，往往是將獲得的紙帶舍去開頭的密集點的部分，然后確定一個起點，以五個點的時間間隔為單位時間，測量每五個點之間的距離S■，S■，S■……再計算出v的值，從而做出v-t圖，最終得到小車速度隨時間變化的規律。

這種數據處理方式明顯存在誤差：其一，在測量過程中會產生測量誤差；其二，在計算v的過程中，容易出現計算錯誤，此外，還有計算結果舍去的誤差；其三，在作v-t圖像時，作圖的能力的差異將產生誤差。這些誤差逐層累積，最終導致v-t圖像并非預期的那樣是一條嚴格的直線，為此，采用粘紙帶的數據處理方法進行代替。

選取合適的一段紙帶，將紙帶每隔0.1s剪斷，打點計時器所打的點都保留在紙條的同一側，便得到若干條相同時間間隔的短紙帶，然后將這些紙帶并排貼在紙上，在貼的過程中，紙條不帶點的一端對齊，作為v-t圖像的時間軸，標明時間刻度，紙條的另一端的中間位置上有打的點，將這些點連接起來，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

該處理方法的依據是很短時間某點的瞬時速度等于該段時間內的平均速度，v-t圖體現的是每段時間中點時的速度與時間的關系，為了結果更精確，可以在所打的紙帶上每隔6個點取一個計數點，也就是說每隔0.12s剪斷紙帶，這樣更方便標注出每一段紙帶上的中間點，再按上面的步驟處理，最后連接的是中間點，最終得到每隔0.06s的速度和時間的關系[2]。

三、結語

通過在實驗過程中認真思考，發現問題，解決問題，不斷改進和完善實驗方案，提高了實驗的準確性和有效性，對于相關知識點的理解和科學研究能力都有很大促進作用。

參考文獻：

[1]吳好.實驗：探究小車速度隨時間變化的規律[J].新高考（高一物理），2014（8）.

[2]徐翠玉.高中物理力學實驗改進的實踐研究[D].山東師范大學，2015.