宣奇成

摘 要： 在高中物理學(xué)習(xí)中，關(guān)于力方面的知識點是課程學(xué)習(xí)中的重點內(nèi)容，同時是最晦澀難以理解的內(nèi)容，因此，在學(xué)習(xí)過程中，通過親手操作相關(guān)力學(xué)實驗，能夠加深對相應(yīng)知識點的理解。本文以小車速度隨時間變化的規(guī)律這個實驗為對象，以親身進行實驗為基礎(chǔ)，通過總結(jié)歸納，對現(xiàn)有的實驗方案從不同方面進行一些改進，使實驗結(jié)果更準(zhǔn)確有效，加深對相關(guān)知識點的理解。

關(guān)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(xué)習(xí)過程中，力學(xué)一方面是其中最重要也是最難以理解的內(nèi)容之一，另一方面，力學(xué)的內(nèi)容又貫穿后續(xù)的學(xué)習(xí)過程，是考試的重點，因此采用實驗的方法對于掌握好力學(xué)知識至關(guān)重要。高中生應(yīng)當(dāng)清楚地認(rèn)識到物理實驗對于深入學(xué)習(xí)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(yǎng)自身的科學(xué)素養(yǎng)，達到較好的學(xué)習(xí)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(xué)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(xí)題練習(xí)，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(wù)，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(rèn)識，在端正認(rèn)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(jié)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(yù)習(xí)，對實驗數(shù)據(jù)的記錄、實驗步驟等內(nèi)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(shè)置一些問題能夠幫助自身加深對實驗的理解、發(fā)散思維，比如重物質(zhì)量的變化是否對小車速度隨時間的變化規(guī)律有影響，實驗數(shù)據(jù)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(zhì)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(fù)實驗兩次，再增減使用砝碼的重量，按以上步驟重復(fù)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(fā)現(xiàn)，雖然按照以上步驟進行操作，但是仍然出現(xiàn)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(shù)據(jù)；紙帶上的點過密或者個數(shù)太少；紙帶上的點間距變化不規(guī)律，等等，通過反復(fù)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(jié)果的有效性和準(zhǔn)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(chǎn)生多余的摩擦外力導(dǎo)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(shù)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(chǎn)生不良影響。因此，在實驗中必須選擇合適的砝碼個數(shù)，質(zhì)量控制在100克以內(nèi)為宜，或者由于單個砝碼的質(zhì)量是固定的，不宜控制小車?yán)?，可以采用將砝碼用塑料小桶和細沙代替，小桶與細沙的質(zhì)量可以通過電子秤測量得到，這樣更方便小車?yán)Υ笮〉目刂?。第三，滑輪的高度也必須加以控制，?dāng)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(wěn)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(jié)果的準(zhǔn)確性。

（三）“小車速度隨時間變化”實驗數(shù)據(jù)處理的改進

在實驗數(shù)據(jù)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(guī)律。

這種數(shù)據(jù)處理方式明顯存在誤差：其一，在測量過程中會產(chǎn)生測量誤差；其二，在計算v的過程中，容易出現(xiàn)計算錯誤，此外，還有計算結(jié)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(chǎn)生誤差。這些誤差逐層累積，最終導(dǎo)致v-t圖像并非預(yù)期的那樣是一條嚴(yán)格的直線，為此，采用粘紙帶的數(shù)據(jù)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(cè)，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(biāo)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(jù)是很短時間某點的瞬時速度等于該段時間內(nèi)的平均速度，v-t圖體現(xiàn)的是每段時間中點時的速度與時間的關(guān)系，為了結(jié)果更精確，可以在所打的紙帶上每隔6個點取一個計數(shù)點，也就是說每隔0.12s剪斷紙帶，這樣更方便標(biāo)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(guān)系[2]。

三、結(jié)語

通過在實驗過程中認(rèn)真思考，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，不斷改進和完善實驗方案，提高了實驗的準(zhǔn)確性和有效性，對于相關(guān)知識點的理解和科學(xué)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(guī)律[J].新高考（高一物理），2014（8）.

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