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

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

        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)生只涉及到運動多少路程、位移、運動的快慢.在學(xué)完加速度這一概念后,有很多同學(xué)還是會認為,速度大,那么加速度一定大.

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

        2 實驗裝置

        實驗材料:玻璃盒子,紅墨水,清水,數(shù)碼相機,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寬的坐標紙條,以玻璃盒最低處作為零點,上下對稱地標上刻度.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,液面高度是11 cm.如圖1所示.

        3 實驗過程

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

        圖2

        數(shù)據(jù)記錄于表1.

        表1 容器中液面高度實驗數(shù)據(jù)

        4 實驗分析

        當物體處于勻變速直線運動時,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

        又因為

        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 實驗結(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,雖然它運行的速度可以達到330km/h,但是它啟動加速和到站減速時的加速度比較小,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.但是地鐵在啟動加速和到站減速時的加速度比較大,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.普通高中課程標準實驗教科書(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.自主物理實驗.上海:上海教育出版社,2007.190

        3 檀上慎二.觸摸科學(xué) 親身體驗科學(xué)實驗.北京:科學(xué)出版社,2006.80~84

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