匀变速直线运动规律的实验设计

刘璐宁

摘要：高中物理作为高中生的重要学科之一，具有较高的抽象性。逻辑性和实践性，而物理实验作为高中物理学科重要教学内容，在培养学生的实验动手能力和物理学科素养方面具有重要作用，现以“研究匀变速直线运动规律”实验为例，从实验原理、实验器材和实验步骤、实验数据分析等方面入手，为实现对该实验的科学设计提出具有建设性的建议。希望通过这次研究，为物理教师提供有效的借鉴和参考。

关键词：匀变速直线;运动规律;实验;设计

实验原理

通过计算小车位移、速度和加速度，判断小车运动是否为匀变速直线运动，有利于更好地引导学生深入理解匀变速直线运动规律，并熟练掌握和应用该规律。在本次实验中，在钩码的作用下，小车开始做匀变速直线运动，此时，钩码的重力为小车的运动提供了一定的动力，要想保证小车做加速运动，必要要确保钩码自身重力远远超过小车自身所受到的的滑动摩擦力，因此，在本次实验中，学生不需要对小车的摩擦力进行平衡。同时，为了提高计数点选取的方便性，缩小实验结果的误差，学生要通过加大钩码的重力，尽可能提高小车的加速度，以达到提高实验结果准确性的目的。

实验器材

本次实验所使用的的器材主要有以下几种：纸带、电火花计时器、小车、含有滑轮的长木板、实验桌面、刻度尺、钩码等。

实验步骤

本次实验操作步骤如下：（1）根据实验原理，将含有滑轮的长木板放置于实验桌面上，并将滑轮悬空在桌面外[1]，同时，在长木板无滑轮的一端上安装和固定电火花计时器，并完成对电路的正确连接。（2）用一只手将小车摁住，然后，用另一只手将钩码钩在细绳另一端的弯钩上，并让细绳穿过定滑轮[2]，同时，将电火花计时器内部穿过一条长长的纸带，并在小车的后面固定纸带的另一端。（3）在靠近电火花计时器位置处放置小车，将电源接通后，让小车携带者纸带进行运动，此时，电火花计时器会自动在纸带上打出若干个小点。然后，更换新的纸带，重复实验三次[3]。（4）从三条含有不同计数点的纸带中选出比较理想的纸带，并舍弃纸带开头比较密集的计数点，并找出容易测量的一个计数点作为起始点[4]。将平均每打五次计数点的时间作为时间周期T，即T=0.02×5=0.1s。（5）然后，将测出的数据填入到表1中。

数据预处理

将靠近起始点的每一个计数点设置为0号计数点，然后，一个4个计数点为间隔，分别标出1、2、3、4、5、6点，确保平均每两点之间的时间间隔为0.1s，匀变速直线运动数据如表1所示。然后，以纸带上的0点位起始点，将测量出测试点与原点之间的距离分别设置为x1、x2、x3、x4、x5、x6，然后使用刻度尺精确测量出这些值。

数据处理

5.1计数点的选取

在本次实验中，由于纸带上打下的计数点比较多，因此，学生要按照一定的周期性，从大量的计数点中选出部分打点，作为定量分析小车拖动纸带后所表现出的运动规律。此外，在选取计数点的过程中，学生要科学选择和确定计数起点以及计数周期[5]。另外，本次实验第一个打点没有实际的应用价值，因此，学生可以在舍弃开头比较密集的计数点后，选出一个计数点作为起點，同时，为了有效地消除打点周期的偏差，学生还要将计数点周期T设置为0.02s的偶数倍。

5.2位移大小的测量

为了保证位移大小测量结果的准确性，学生通过使用刻度尺，对位移进行精确测量，尽可能缩小测量误差。首先，要分别测量出各个计数点与计数起始点之间的距离，然后，分别精确计算出各个计数点之间的距离，如x1、x2、x3、x4、x5、x6。

5.3实验结果分析与加速度计算

从表1中的数据可以看出，在相同的时间内，各个计数点之间的位移差大致相同，这说明小车做匀变速直线运动。通过利用瞬时速度求解公式，精确求解出小车在某一计数点的瞬时速度，然后，绘制出v-t图像，根据v-t图像斜率，快速求解小车的加速度，经过计算得知小车的加速度为3.33m/s2。

参考文献：

[1]王宗斌.三种研究匀变速直线运动规律的实验方法[J].数理化解题研究（高中版），2020：37-39.

[2]胡冰琳.浅谈对"研究匀变速直线运动"实验的考查[J].考试周刊，2020，（A4）：3-4.DOI：10.3969/j.issn.1673-8918.2020.A4.003.

[3]葛东兵，牛文倩.匀变速直线运动实验及其数据处理的研究[J].课程教育研究（新教师教学），2020，（10）：262-262.

[4]杨冬末，彭朝阳.Tracker软件在匀变速直线运动实验中的应用[J].湖南中学物理，2016，（010）.

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