全面剖析研究勻變速直線運動實驗的兩種方法

張曉宇

學科核心素養集中體現在學科的育人價值,是學生通過學科不斷學習從而逐步形成的正確價值觀、必備品格和重要能力。物理學科的核心素養包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面。

物理實驗中是如何體現學科核心素養呢?文章從物理教材以及高考題目中選擇兩個例題進行剖析,以求解決學生對勻變速直線運動這類高考重點實驗問題,不會解題方法的困境。

在研究勻變速直線運動中,通常需測量兩個重要物理量,一個是速度,另一個是加速度。通常對這兩個測量的考查主要有兩種方法,一種是利用打點計時器進行測量,另一種是利用光電門進行測量,下面就這兩種方法對研究勻變速直線運動進行全面剖析。

一、利用打點計時器研究勻變速直線運動

(一)實驗裝置及注意點

(1)無須平衡摩擦。

(2)無需鉤碼質量遠小于小車質量。

(3)紙帶、細繩要與長木板平行。

(4)釋放小車前,應使小車停在距打點計時器近的位置。

(5)實驗時應先接通電源后釋放紙帶。

(6)在小車到達長木板前應讓小車立即停止,避免小車與滑輪發生碰撞。

(7)小車的加速度應該適當大點,用來減小長度測量出現的誤差。

(二)數據處理

(1)勻變速直線運動的判斷標準:若x2-x1=x3-x2=…=x6-x5=常量,則小車做勻變速直線運動,即要求x1、x2、x3、x4、x5、x6成等差數列。

(2)瞬時速度的計算:

(4)紙帶推論:xn-xm=(n-m)aT2。

(三)誤差分析

【例1】穎菲同學用如下圖甲所示的實驗裝置探究物體的速度與時間的關系。

(1)電磁式打點計時器接(填“直流”或“交流”)電源,當電壓頻率是50Hz時,電磁式打點計時器每打一個點隔秒。

(2)根據電磁式打點計時器打出的紙帶,我們從紙帶上可以直接得到的物理量是。

A.紙帶位移 B.紙帶平均速度

C.紙帶時間間隔 D.紙帶瞬時速度

(3)下面關于電磁式打點計時器的使用情況,正確的是。

A.在測量物體速度時,物體先運動,然后再接通電磁式打點計時器的電源

B.電磁式打點計時器使用的是12V以下的直流電源

C.打在紙帶上的點越密集,表明運動的物體越快

D.使用的交流電源的頻率高,打點計時器在紙帶上打的點時間間隔就越小

(4)實驗剛開始,應把打點計時器放在小車附近,先再(“打開電源”或者“放開小車”)。

(5)穎菲同學將小車的運動情況用電磁式打點計時器記錄下來,已知電磁式打點計時器的打點周期T=0.02s。在紙帶上選取A,B,C,D,E5個計數點,其中取每五個點為一個計數點,如圖乙所示測得相鄰計數點間的長度。用紙帶上所給的數據,通過計算得出小車在B點的瞬時速度vB=m/s,方向為(選填“由A指向C”或“由C指向A”)以及小車的加速度a=m/s2(結果均保留小數點后2位)。

(6)穎菲同學改變懸掛在繩上的鉤碼個數,得到如圖丙和丁所示的2條紙帶,對每條紙帶,每5個點作為1個計數點,用剪刀剪斷相鄰計數點間的紙帶,在坐標紙上把這些剪斷的紙條固定好,把紙條上端中心位置連起來,由圖可知,丙圖中的加速度丁圖中的加速度(選填“等于”“大于”或“小于”)。

(7)如果當時交變電流的頻率是f=51Hz,而計算時仍按f=50Hz處理,那么速度的測量值將(選填“偏大”“偏小”或“相等”)。

解析：(1)打點計時器所用電源為交流電,頻率為50Hz,周期為0.02s,打點計時器每隔0.02s打一個點。

(2)電磁打點計時器在隨物體一起運動的紙帶上每隔0.02s打下一個點,點的間隔就反映了物體的位置變化情況,所用可以從紙帶上直接得到位移;通過數點的多少可以得到運動的時間間隔。平均速度和瞬時速度都不能直接得到,故選AB。

(3)A.在測量物體速度時,先接通打點計時器的電源,打點穩定后,再讓物體運動,A錯誤。

B.電磁打點計時器使用的是低壓交流電,B錯誤。

C.打在紙帶上的點越密集,說明物體在相同t內的位移越小,物體應運動得慢,C錯誤。

D.由周期和頻率之間互為倒數可知,電源頻率高,周期小,紙帶上的點時間間隔就越小,D正確。

(4)實驗開始時,把打點計時器挨著小車,應將電源先打開再把小車放開。

(6)如圖將紙帶上端中心連起來,得到的傾斜直線,圖像表示紙帶的v—t圖,加速度由圖像斜率來表示,所以丙圖中的a丙小于丁圖中的a丁。

點評：本題從實驗原理、儀器選擇、實驗操作、數據處理、注意事項和誤差分析等方面對該實驗進行了全面的復習,同時在數據處理上還對該實驗進行創新設計:即將紙帶剪斷后用相同的坐標紙粘貼,然后紙帶上端中心連起來,形象地得到了v—t圖像,從而可知其斜率表示加速度大小。

二、利用光電門研究勻變速直線運動

(一)工作原理

光電門工作原理當光源發射的激光被傳感器接收到時計時器不工作,有遮光片經過光電門、擋住激光時計時器開始工作,當遮光片離開后激光再次被傳感器接收到,計時器就停止計時,這樣計時器就記錄了遮光片的擋光時間Δt。

(二)兩種速度和加速度的測量方法

1.測量遮光時間Δt

2.測量兩次經過光電門的時間間隔t

【例2】某中學物理小組用光電門測定重力加速度,他們討論出以下兩種方案。

方案一:小組一利用圖甲的實驗器材測定重力加速度。實驗器材有:固定底座、小鋼珠釋放器(可使小鋼珠無初速釋放)、網兜、小鋼珠、光電門1和2組成的光電計時器、帶有標尺的豎直桿。實驗過程中保持光電門2的位置不變,改變光電門1的位置,用光電計時器記錄小鋼珠從光電門1運動至光電門2的時間t,并從豎直桿上讀出兩光電門間的距離h。

(1)若當地的重力加速度為g,小鋼珠經過光電門2的速度為v,不計空氣阻力,則t、h、v、g四個物理量之間關系為h=;

方案二:小組二利用如圖裝置測定當地的重力加速度。直徑為D的小球靜止下落過程中,先后通過光電門A、B,用小球通過光電門的平均速度表示小球球心通過光電門的瞬時速度,光電門測出小球通過A、B的時間分別為tA、tB。測出兩光電門間的距離為h,則:

(2)當地的重力g為。

(4)僅考慮小鐵球直徑對實驗的影響,g的測量值(選填“偏大”“偏小”“無影響”);僅考慮空氣阻力對實驗的影響,g的測量值(選填“無影響”“偏大”“偏小”),該誤差屬于(“系統誤差”或“偶然誤差”)。

(4)作出小球作自由落體運動的v—t圖像如圖所示,A、B間距h指小球經A開始計時,到經B結束計時的位移,而vA、vB對應的真實間距為C、D間距。

點評：兩種方案均結合自由落體運動情境采用光電門測量重力加速度,該實驗方案較為新穎,符合新高考對情境化理念的要求。方案二計算鋼球速度時,需要考慮鋼球自身直徑對速度測量的影響,結合v—t圖像可分析出:重力加速度測量產生誤差的原因是計算初、末速度與實際位移不對應,這在一定程度上加深了學生對勻變速直線運動的理解。相較于傳統的打點計時器測量加速度的實驗方法,借助光電門測量使得實驗操作更加簡潔,結果更為精確。光電門測量加速度的方案,符合新高考對學生物理實驗能力的考查,借助圖像進行誤差分析考查學生的圖像處理能力及科學思維。

三、結語

以上兩個示例通過多維度設問的方式,讓學生對該實驗層層遞進,由淺入深,全面復習實驗研究勻變速直線運動,通過教材實驗方案采用打點計時器和創新方案采用光電門測量速度,進而測量加速度。復習過程既全面,又可以讓學生進行比對理解,加深學生對實驗的理解。