小车速度随时间变化实验方案改进研究

宣奇成

摘 要： 在高中物理学习中，关于力方面的知识点是课程学习中的重点内容，同时是最晦涩难以理解的内容，因此，在学习过程中，通过亲手操作相关力学实验，能够加深对相应知识点的理解。本文以小车速度随时间变化的规律这个实验为对象，以亲身进行实验为基础，通过总结归纳，对现有的实验方案从不同方面进行一些改进，使实验结果更准确有效，加深对相关知识点的理解。

关键词： 小车速度随时间变化 实验方案 改进措施

一、引言

在高中物理的整个学习过程中，力学一方面是其中最重要也是最难以理解的内容之一，另一方面，力学的内容又贯穿后续的学习过程，是考试的重点，因此采用实验的方法对于掌握好力学知识至关重要。高中生应当清楚地认识到物理实验对于深入学习和理解新知识的重要意义，在实验操作过程中提高自身的动手能力，培养自身的科学素养，达到较好的学习效果。下面以“小车速度随时间变化”为例，从不同方面对该实验方案提出自己的改进措施。

二、“小车速度随时间变化”实验前的改进

（一）“小车速度随时间变化”实验前的改进

在学生的观念里，物理课程的重点在于课堂上教师的知识讲解及课后的习题练习，对待物理实验通常不大上心，但实际上，物理实验的作用不仅仅是为了完成课程任务，因此要想在物理实验课程上能够颇有收获，首先要做到的是必须端正自己对物理实验课程的认识，在端正认识的前提下才能让自己更投入。其次，对于实验中所使用的实验器材需要有所了解，在“小车速度随时间变化”的实验中用到的实验器材有小车、打点计时器、细绳、砝码、一端带有滑轮的长木板、刻度尺、纸带等，其中打点计时器作为其中重要的实验仪器，实验之前对其工作原理和工作方式进行了解，对于实验结果的理解非常有帮助。然后，对于课本中给出的实验方案也需要提前进行预习，对实验数据的记录、实验步骤等内容提前了解，这样在实验过程中才能做到胸有成竹。最后，实验前进行一些思考，为自己设置一些问题能够帮助自身加深对实验的理解、发散思维，比如重物质量的变化是否对小车速度随时间的变化规律有影响，实验数据的处理能不能有更简单的方法等。

（二）“小车速度随时间变化”实验过程的改进

图1所示的是该实验的装置，具体步骤是，先将带滑轮的长木板放置在桌上，保证滑轮一端超出桌子边缘，打点计时器则固定在长木板的另一端，再把电路部分完成；接着，将细绳的一头绑住小车，另一头则挂上砝码，并且细绳要跨在轮滑上，纸带一头要穿过打点计时器，另一头与小车相连；然后，将小车放置在打点计时器附近，接通电源，释放小车，小车在砝码质量作用力下拉着纸带一起运动，打点计时器在纸带上留下小点；最后，将以上步骤重复实验两次，再增减使用砝码的重量，按以上步骤重复两次实验。

图1 “小车速度随时间变化”实验装置

在自身实验的过程中发现，虽然按照以上步骤进行操作，但是仍然出现了一些问题：小车运动过程中卡壳、摇晃、不流畅，无法得到有效的实验数据；纸带上的点过密或者个数太少；纸带上的点间距变化不规律，等等，通过反复的实验、分析、故障排查，在“小车速度随时间变化”的实验过程中，还需要做以下方面的改进以提高实验结果的有效性和准确性。

第一，在将打点计时器纸带限位器固定在长木板上之前，必须保证二者在纵轴位置平齐，使得滑轮、细绳、小车、纸带处于同一条直线位置上，避免在小车运动过程中由于实验器材的位置不对齐产生多余的摩擦外力导致小车卡壳、摇晃、运动流畅。此外，为避免同样的问题，打点计时器、纸带、与长木板也必须保证平齐[1]。第二，打点计时器所打的点过密或太疏的直接原因是砝码的重量不合理，砝码数量直接影响小车受到的牵引力的大小，牵引力大，纸带上的点太少，牵引力小，纸带上的点过密，这些对实验分析都产生不良影响。因此，在实验中必须选择合适的砝码个数，质量控制在100克以内为宜，或者由于单个砝码的质量是固定的，不宜控制小车拉力，可以采用将砝码用塑料小桶和细沙代替，小桶与细沙的质量可以通过电子秤测量得到，这样更方便小车拉力大小的控制。第三，滑轮的高度也必须加以控制，当细绳跨过时细绳与长木板保持平行时最佳，还可以将打点计时器一端稍微抬高，使轻推小车时，小车可以平稳运行，这样做的是为了消除小车在运行中受到的摩擦阻力，保证实验结果的准确性。

（三）“小车速度随时间变化”实验数据处理的改进

在实验数据处理时，往往是将获得的纸带舍去开头的密集点的部分，然后确定一个起点，以五个点的时间间隔为单位时间，测量每五个点之间的距离S■，S■，S■……再计算出v的值，从而做出v-t图，最终得到小车速度随时间变化的规律。

这种数据处理方式明显存在误差：其一，在测量过程中会产生测量误差；其二，在计算v的过程中，容易出现计算错误，此外，还有计算结果舍去的误差；其三，在作v-t图像时，作图的能力的差异将产生误差。这些误差逐层累积，最终导致v-t图像并非预期的那样是一条严格的直线，为此，采用粘纸带的数据处理方法进行代替。

选取合适的一段纸带，将纸带每隔0.1s剪断，打点计时器所打的点都保留在纸条的同一侧，便得到若干条相同时间间隔的短纸带，然后将这些纸带并排贴在纸上，在贴的过程中，纸条不带点的一端对齐，作为v-t图像的时间轴，标明时间刻度，纸条的另一端的中间位置上有打的点，将这些点连接起来，就得到了所求的v-t图像，如图2所示。

图2 粘纸带方法得到的图像

该处理方法的依据是很短时间某点的瞬时速度等于该段时间内的平均速度，v-t图体现的是每段时间中点时的速度与时间的关系，为了结果更精确，可以在所打的纸带上每隔6个点取一个计数点，也就是说每隔0.12s剪断纸带，这样更方便标注出每一段纸带上的中间点，再按上面的步骤处理，最后连接的是中间点，最终得到每隔0.06s的速度和时间的关系[2]。

三、结语

通过在实验过程中认真思考，发现问题，解决问题，不断改进和完善实验方案，提高了实验的准确性和有效性，对于相关知识点的理解和科学研究能力都有很大促进作用。

参考文献：

[1]吴好.实验：探究小车速度随时间变化的规律[J].新高考（高一物理），2014（8）.

[2]徐翠玉.高中物理力学实验改进的实践研究[D].山东师范大学，2015.