全面剖析研究匀变速直线运动实验的两种方法

张晓宇

学科核心素养集中体现在学科的育人价值,是学生通过学科不断学习从而逐步形成的正确价值观、必备品格和重要能力。物理学科的核心素养包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面。

物理实验中是如何体现学科核心素养呢?文章从物理教材以及高考题目中选择两个例题进行剖析,以求解决学生对匀变速直线运动这类高考重点实验问题,不会解题方法的困境。

在研究匀变速直线运动中,通常需测量两个重要物理量,一个是速度,另一个是加速度。通常对这两个测量的考查主要有两种方法,一种是利用打点计时器进行测量,另一种是利用光电门进行测量,下面就这两种方法对研究匀变速直线运动进行全面剖析。

一、利用打点计时器研究匀变速直线运动

(一)实验装置及注意点

(1)无须平衡摩擦。

(2)无需钩码质量远小于小车质量。

(3)纸带、细绳要与长木板平行。

(4)释放小车前,应使小车停在距打点计时器近的位置。

(5)实验时应先接通电源后释放纸带。

(6)在小车到达长木板前应让小车立即停止,避免小车与滑轮发生碰撞。

(7)小车的加速度应该适当大点,用来减小长度测量出现的误差。

(二)数据处理

(1)匀变速直线运动的判断标准:若x2-x1=x3-x2=…=x6-x5=常量,则小车做匀变速直线运动,即要求x1、x2、x3、x4、x5、x6成等差数列。

(2)瞬时速度的计算:

(4)纸带推论:xn-xm=(n-m)aT2。

(三)误差分析

【例1】颖菲同学用如下图甲所示的实验装置探究物体的速度与时间的关系。

(1)电磁式打点计时器接(填“直流”或“交流”)电源,当电压频率是50Hz时,电磁式打点计时器每打一个点隔秒。

(2)根据电磁式打点计时器打出的纸带,我们从纸带上可以直接得到的物理量是。

A.纸带位移 B.纸带平均速度

C.纸带时间间隔 D.纸带瞬时速度

(3)下面关于电磁式打点计时器的使用情况,正确的是。

A.在测量物体速度时,物体先运动,然后再接通电磁式打点计时器的电源

B.电磁式打点计时器使用的是12V以下的直流电源

C.打在纸带上的点越密集,表明运动的物体越快

D.使用的交流电源的频率高,打点计时器在纸带上打的点时间间隔就越小

(4)实验刚开始,应把打点计时器放在小车附近,先再(“打开电源”或者“放开小车”)。

(5)颖菲同学将小车的运动情况用电磁式打点计时器记录下来,已知电磁式打点计时器的打点周期T=0.02s。在纸带上选取A,B,C,D,E5个计数点,其中取每五个点为一个计数点,如图乙所示测得相邻计数点间的长度。用纸带上所给的数据,通过计算得出小车在B点的瞬时速度vB=m/s,方向为(选填“由A指向C”或“由C指向A”)以及小车的加速度a=m/s2(结果均保留小数点后2位)。

(6)颖菲同学改变悬挂在绳上的钩码个数,得到如图丙和丁所示的2条纸带,对每条纸带,每5个点作为1个计数点,用剪刀剪断相邻计数点间的纸带,在坐标纸上把这些剪断的纸条固定好,把纸条上端中心位置连起来,由图可知,丙图中的加速度丁图中的加速度(选填“等于”“大于”或“小于”)。

(7)如果当时交变电流的频率是f=51Hz,而计算时仍按f=50Hz处理,那么速度的测量值将(选填“偏大”“偏小”或“相等”)。

解析：(1)打点计时器所用电源为交流电,频率为50Hz,周期为0.02s,打点计时器每隔0.02s打一个点。

(2)电磁打点计时器在随物体一起运动的纸带上每隔0.02s打下一个点,点的间隔就反映了物体的位置变化情况,所用可以从纸带上直接得到位移;通过数点的多少可以得到运动的时间间隔。平均速度和瞬时速度都不能直接得到,故选AB。

(3)A.在测量物体速度时,先接通打点计时器的电源,打点稳定后,再让物体运动,A错误。

B.电磁打点计时器使用的是低压交流电,B错误。

C.打在纸带上的点越密集,说明物体在相同t内的位移越小,物体应运动得慢,C错误。

D.由周期和频率之间互为倒数可知,电源频率高,周期小,纸带上的点时间间隔就越小,D正确。

(4)实验开始时,把打点计时器挨着小车,应将电源先打开再把小车放开。

(6)如图将纸带上端中心连起来,得到的倾斜直线,图像表示纸带的v—t图,加速度由图像斜率来表示,所以丙图中的a丙小于丁图中的a丁。

点评：本题从实验原理、仪器选择、实验操作、数据处理、注意事项和误差分析等方面对该实验进行了全面的复习,同时在数据处理上还对该实验进行创新设计:即将纸带剪断后用相同的坐标纸粘贴,然后纸带上端中心连起来,形象地得到了v—t图像,从而可知其斜率表示加速度大小。

二、利用光电门研究匀变速直线运动

(一)工作原理

光电门工作原理当光源发射的激光被传感器接收到时计时器不工作,有遮光片经过光电门、挡住激光时计时器开始工作,当遮光片离开后激光再次被传感器接收到,计时器就停止计时,这样计时器就记录了遮光片的挡光时间Δt。

(二)两种速度和加速度的测量方法

1.测量遮光时间Δt

2.测量两次经过光电门的时间间隔t

【例2】某中学物理小组用光电门测定重力加速度,他们讨论出以下两种方案。

方案一:小组一利用图甲的实验器材测定重力加速度。实验器材有:固定底座、小钢珠释放器(可使小钢珠无初速释放)、网兜、小钢珠、光电门1和2组成的光电计时器、带有标尺的竖直杆。实验过程中保持光电门2的位置不变,改变光电门1的位置,用光电计时器记录小钢珠从光电门1运动至光电门2的时间t,并从竖直杆上读出两光电门间的距离h。

(1)若当地的重力加速度为g,小钢珠经过光电门2的速度为v,不计空气阻力,则t、h、v、g四个物理量之间关系为h=;

方案二:小组二利用如图装置测定当地的重力加速度。直径为D的小球静止下落过程中,先后通过光电门A、B,用小球通过光电门的平均速度表示小球球心通过光电门的瞬时速度,光电门测出小球通过A、B的时间分别为tA、tB。测出两光电门间的距离为h,则:

(2)当地的重力g为。

(4)仅考虑小铁球直径对实验的影响,g的测量值(选填“偏大”“偏小”“无影响”);仅考虑空气阻力对实验的影响,g的测量值(选填“无影响”“偏大”“偏小”),该误差属于(“系统误差”或“偶然误差”)。

(4)作出小球作自由落体运动的v—t图像如图所示,A、B间距h指小球经A开始计时,到经B结束计时的位移,而vA、vB对应的真实间距为C、D间距。

点评：两种方案均结合自由落体运动情境采用光电门测量重力加速度,该实验方案较为新颖,符合新高考对情境化理念的要求。方案二计算钢球速度时,需要考虑钢球自身直径对速度测量的影响,结合v—t图像可分析出:重力加速度测量产生误差的原因是计算初、末速度与实际位移不对应,这在一定程度上加深了学生对匀变速直线运动的理解。相较于传统的打点计时器测量加速度的实验方法,借助光电门测量使得实验操作更加简洁,结果更为精确。光电门测量加速度的方案,符合新高考对学生物理实验能力的考查,借助图像进行误差分析考查学生的图像处理能力及科学思维。

三、结语

以上两个示例通过多维度设问的方式,让学生对该实验层层递进,由浅入深,全面复习实验研究匀变速直线运动,通过教材实验方案采用打点计时器和创新方案采用光电门测量速度,进而测量加速度。复习过程既全面,又可以让学生进行比对理解,加深学生对实验的理解。