王成武 李豐利

摘要：測量小車在斜面上運動的速度，是初中物理的探究實驗。傳統(tǒng)實驗的設(shè)備制作、實驗操作、數(shù)據(jù)采集都給學生帶來很大的不便。而數(shù)字化實驗則可以很好地避免這些問題，凸顯這種實驗方式的優(yōu)點。傳統(tǒng)實驗和數(shù)字化實驗相互融合，各取所長，應(yīng)該是物理實驗教學的一個方向。

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)實驗 ?數(shù)字化實驗 ?斜面 ?小車運動 ?平均速度

一、傳統(tǒng)實驗

測量小車在斜面上滑動的平均速度實驗是近年來中考的熱點，在多地中考出現(xiàn)過。該實驗的原理是v=s/t。測出物體運動的路程s，測出通過這段路程所用時間t，就可以計算這段路程的平均速度。該實驗所需器材有刻度尺、機械停表、斜面、小車、金屬片等。

實驗步驟：

（1）把小車放在斜面頂端，金屬片放在斜面底端;

（2）用刻度尺測出小車到金屬片的距離s1，并記錄在表格中;

（3）用停表測出小車從斜面頂端滑下到撞擊金屬片的時間t1，并記錄在表格中;

（4）將金屬片移至斜面的中點處，用刻度尺測出小車到金屬片的距離s2，用停表測出小車從斜面頂端滑下到撞擊金屬片的時間t2，并記錄在表格中。

其中，斜面的作用是使小車獲得下滑的動力，金屬片的作用是確保小車運動的終點始終在同一位置，更為準確地測量路程和時間。

實驗注意事項：

（1）在測量時間時，要做到在小車開始運動的同時開始計時，小車撞擊金屬片的同時停止計時。

（2）斜面要長一些而且要保持較小的坡度，使小車在下滑時速度較慢、時間較長，以便更準確地測量運動的時間，減小誤差。

分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。

計算不同階段的平均速度V，比較不同階段的平均速度大小。

實驗反思：

以上為傳統(tǒng)實驗的方案。筆者曾試圖動手做這個實驗，發(fā)現(xiàn)“問題”很多。如：①難以選擇合適的長的斜面。筆者實驗時斜面的坡度大概為10°，斜面長1 m，小車運動時間非常短，只有2.4 s。這樣短的時間，讓時間的計量誤差也比較大。②教具制作不易。實驗室沒有配測量小車運動平均速度的教具，所以老師要演示這個實驗，必須自己制作。這個很不容易，而且讓物體滑下時，盡量要求做直線運動。由此可知，如果用傳統(tǒng)的方法把這個實驗完整地做出來，是非常耗費精力的，且誤差比較大。

二、數(shù)字化實驗

下面，筆者就利用威尼爾數(shù)字化實驗器材，把這個實驗簡便、準確地呈現(xiàn)出來。數(shù)字化實驗簡稱DIS（Digital Information System），是實驗者借助于各類傳感器、采集器、計算機及相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件等自動實時地采集數(shù)據(jù)，并以多種形式呈現(xiàn)的現(xiàn)代化實驗技術(shù)手段。

實驗目的：

研究小車在斜面上運動速度的變化和斜面的傾斜程度（通過墊木板的方法改變傾斜程度對小車運動速度的影響）。

實驗原理：

根據(jù)平均速度公式v=s/t，結(jié)合小車的運動時間與距離，計算前半程、后半程和全程的平均速度。

實驗準備：

（1）組裝。

（1）把軌道放置在水平桌面上，一端調(diào)高。

（2）把運動傳感器放在調(diào)高的一端，固定好;在終點安裝擋板，避免小車最終脫離軌道。

（3）將數(shù)據(jù)采集器接口與計算機相連，接通電源。

（4）將運動傳感器接入數(shù)據(jù)采集器的接口。

（5）打開數(shù)據(jù)采集器，設(shè)置采樣頻率為20 Hz，采樣時間為5 s。

實驗步驟：

（1）把小車放到導軌的高端119厘米刻度線處。

（2）打開威尼爾專用的數(shù)據(jù)處理軟件Logger Pro，點擊“開始”，記錄數(shù)據(jù)。

（3）釋放小車使其沿著導軌滑下，利用運動傳感器記錄它的位置和時刻，并呈現(xiàn)在計算機上。

（4）將數(shù)據(jù)輸出為csv格式。

（5）在軌道高端處的下面墊一塊木板，重復步驟（1）（2）（3）（4）。

（6）在軌道高端處的下面再墊一塊同樣的木板，重復步驟（1）（2）（3）（4）。

（7）關(guān)閉Logger Pro，拔掉數(shù)據(jù)線，整理好實驗器材。

實驗分析：

表格中的數(shù)據(jù)是原始數(shù)據(jù)，為了減少誤差，選取的是小車運動過程中的數(shù)據(jù)。本文選取0.3 m為起始位置，0.9 m為終點位置，分別計算三組實驗中的v前半程，v后半程，v全程的大小。

實驗結(jié)論：

（1）v前半程<v全程<v后半程。

（2）同一斜面的同一段距離，斜面傾角越大，平均速度越大。

誤差分析：

（1）傳感器自身的計量誤差;

（2）截取數(shù)據(jù)的誤差;

（3）平均速度計算的誤差。

三、對比

通過對小車運動平均速度的測量，相對于傳統(tǒng)實驗，我們可知數(shù)字化實驗有以下特點：

（1）利用專門的器具，非常方便地完成實驗。教師無須花多少時間和精力準備整個實驗，可以精心準備教學流程和設(shè)計實驗。教師的職業(yè)特點決定教師的工作重心應(yīng)該是教書育人而不是制作精巧的教具。教師整個數(shù)字化實驗中所花費的時間和精力成本非常小，而教學效益卻非常大。

（2）測量精度比較高，誤差小，定量地獲得具有更可靠的實驗結(jié)論。誠然，如果器具齊全，利用傳統(tǒng)的刻度尺、秒表也可以完成任務(wù)，但是測量的精度特別是這種動態(tài)測量的精度，與數(shù)字化實驗無法相比。因此，物理實驗中數(shù)字化設(shè)備的使用，可以定量地研究問題，獲得結(jié)論也更加可靠。

（3）利用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件，可以準確、直觀、便利地得出結(jié)論。傳統(tǒng)實驗的數(shù)據(jù)，一般用紙筆運算，運算量大，容易出錯;而數(shù)字化實驗，有與設(shè)備配套的數(shù)據(jù)處理軟件，可以快速地對大量的數(shù)據(jù)進行運算和分析，并且可以圖像的形式直觀地呈現(xiàn)，還可以方便地導出。因此，數(shù)字化系統(tǒng)的使用，給師生的數(shù)據(jù)處理帶來了極大方便，同時更準確、直觀。

（4）易于進行實驗深入和拓展，研究新的內(nèi)容。相對于傳統(tǒng)實驗，數(shù)字化實驗可以更容易地進行實驗的深入和拓展。如本實驗中探究了在斜面傾角不同的情況下，小車在斜面上的運動情況。筆者用數(shù)字化設(shè)備和數(shù)據(jù)處理軟件進行這個實驗，前后只用了5分鐘的時間，非常容易。當然，還可以利用數(shù)字化實驗器材進行拓展，如可以把軌道放在水平的桌面上，在其上放置兩只小車，把運動傳感器固定在其中的一只小車上;然后讓兩只小車一個運動一個靜止或都運動起來（可以同向、反向），通過傳感器可以實時記錄兩只小車的相對運動速度。這比傳統(tǒng)的實驗手段定性地得出結(jié)論更加簡易。

責任編輯：黃大燦