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        高鐵和地鐵 哪個(gè)加速度大?
        ——記一次研究性物理學(xué)習(xí)活動(dòng)

        2011-08-17 12:49:36羅志恒浦隆堯查仁彪
        物理通報(bào) 2011年11期
        關(guān)鍵詞:數(shù)碼相機(jī)液面容器

        羅志恒 浦隆堯 譚 笑 查仁彪

        (江蘇省蘇州第十中學(xué) 江蘇 蘇州 215006)

        1 問題由來

        對于剛邁入高中物理門檻的學(xué)生來講,加速度這個(gè)物理概念還是比較抽象的.在日常生活中,多數(shù)情況學(xué)生只涉及到運(yùn)動(dòng)多少路程、位移、運(yùn)動(dòng)的快慢.在學(xué)完加速度這一概念后,有很多同學(xué)還是會認(rèn)為,速度大,那么加速度一定大.

        滬寧路上的高鐵列車的時(shí)速最高可以達(dá)到330 km/h.上海的地鐵列車的設(shè)計(jì)時(shí)速是80km/h.那么高鐵列車和地鐵列車到底哪個(gè)加速度更大呢?為此,筆者和物理課外小組成員一起設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn).

        2 實(shí)驗(yàn)裝置

        實(shí)驗(yàn)材料:玻璃盒子,紅墨水,清水,數(shù)碼相機(jī),膠帶,刻度尺

        圖1

        用玻璃和玻璃膠制成如圖所示的扁平狀容器(30cm×2cm×20cm),在容器正面兩側(cè)邊緣上貼兩條5mm寬的坐標(biāo)紙條,以玻璃盒最低處作為零點(diǎn),上下對稱地標(biāo)上刻度.容器里裝紅色水,使容器內(nèi)部底部與零刻度線重合.靜止時(shí),液面高度是11 cm.如圖1所示.

        3 實(shí)驗(yàn)過程

        準(zhǔn)備好了實(shí)驗(yàn)器材,我們乘坐滬寧城際高鐵列車從蘇州到上海,用數(shù)碼相機(jī)拍攝了高鐵列車啟動(dòng)和到站時(shí)容器中液面的情況.到上海后,我們又乘坐地鐵,用數(shù)碼相機(jī)拍攝了地鐵啟動(dòng)和到站時(shí)容器中液面的情況,如圖2所示.

        圖2

        數(shù)據(jù)記錄于表1.

        表1 容器中液面高度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

        4 實(shí)驗(yàn)分析

        當(dāng)物體處于勻變速直線運(yùn)動(dòng)時(shí),容器中的液面如圖3所示,液面與水平方向的夾角為θ.

        圖3

        液面右側(cè)最低點(diǎn)離底面的高度為H2;容器的寬度為L.在水中取一段水平的小水柱作為研究對象;小水柱兩側(cè)的面積為ΔS,小水柱的長度為l,其左側(cè)面中心離水面豎直高度為h1,其右側(cè)面中心離水面豎直高度為h2.

        根據(jù)相似三角形

        又因?yàn)?/p>

        由此可知,加速度越大,液面的傾角越大.

        兩者之間存在定量關(guān)系

        式中L=30cm,g=9.8m/s2.

        數(shù)據(jù)分析見表2

        表2 數(shù)據(jù)分析

        5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

        (1)容器中液面的傾角越大,物體的加速度越大;液面傾角與加速度之間存在定量關(guān)系

        (2)對于高鐵列車來說,雖然它運(yùn)行的速度可以達(dá)到330km/h,但是它啟動(dòng)加速和到站減速時(shí)的加速度比較小,人坐在里面感覺比較舒服.

        (3)對于地鐵來說,地鐵運(yùn)行的最高速度僅為80km/h,要比高鐵列車小得多.但是地鐵在啟動(dòng)加速和到站減速時(shí)的加速度比較大,人在地鐵中會有明顯的感覺.

        (4)速度大,加速度不一定大.加速度是速度的變化率.

        1 人民教育出版社物理課程教材開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(物理·必修1).北京:人民教育出版社,2010.74

        2 倪閩景,劉貴興,周鴻燁.自主物理實(shí)驗(yàn).上海:上海教育出版社,2007.190

        3 檀上慎二.觸摸科學(xué) 親身體驗(yàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn).北京:科學(xué)出版社,2006.80~84

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