测量地铁加速度的曲折之路

杨晓东 唐齐林

摘   要：研究性学习是综合实践活动课程的一部分，而物理范畴的研究性学习活动能培养学生对科学研究方法的掌握。本文通过介绍一次贯穿整个高一上学期的研究性学习——测量地铁加速度，体现了研究性学习与物理课程的相互支撑和促进。

关键词：研究性学习;加速度;测量方法

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2015）9-0064-2

高中《物理（必修1）》总的来看分为运动学和动力学以及它们的衔接部分——受力分析。如果将这些知识尽可能地应用到研究性学习活动中，同时这些活动又能对物理知识的学习起到支撑和促进作用，那么这个研究性学习活动就意义非凡了。为此，笔者给学生提出了测量地铁加速度的活动题目，而该加速度的测量之路可谓曲折。

1    频闪照相法测量加速度

由于学生最先学习的是运动学，而运动学中常规的测量加速度的方法便是纸带法以及频闪照相法。学生自然而然地想到了用该方法去测量地铁出站时的加速度，但最终失败了。原因在于两方面，一是照片的实际处理确实困难，二是客观来看地铁出站时做的是非匀加速直线运动。但是，失败也有其积极的意义。同学们更加明确了纸带法以及频闪照相法的物理原理，同时也知道了无法直接运用运动学中的方法来解决这一问题。

2    利用倾角测量加速度

随着“必修1”学习的深入和师生讨论以及查阅文献，同学们提出了根据动力学知识，利用倾角测量加速度，原理如图1所示。当地铁处于非平衡态时，悬线或液面必然出现一个倾角θ，且a与θ满足的关系是a=gtanθ。只要测出每一时刻的倾角便可以明确此时的加速度。然而，两组实验最终都失败了。通过分析和讨论，总结出失败原因：图1所示的这两种情况非常特殊，它要求地铁以恒定加速度行驶且人为地将液面或悬线控制在与加速度对应的倾角的初始状态上才能稳定，否则就会出现晃动而无法观测。实际实验中液面和悬线便是由于地铁的变加速运动而无规则晃动。此次失败的经历让同学们对这两种物理模型有了更深的认识，同时有的同学对“晃动”产生了兴趣。

3    利用传感器测量加速度

连续两次失败让同学们士气比较低落，同时终于等来了让他们柳暗花明的时刻。此时正值“牛顿第三定律”的教学，为凸显相互作用力在动态过程中时时刻刻满足的关系，笔者使用了力传感器。完成这节教学之后，笔者安排了一次课题组会议，终于找到了解决问题的办法，原理如图2所示。传感器的拉力提供小车加速度，通过传感器可以描绘出地铁启动过程中的F-t图像，将纵坐标统一除以小车质量便可以得到地铁的a-t图像。图3便是我们测量的地铁出某站点时的F-t图像。同时，小组成员也进一步决定测量、绘制更多站点的加速度图像，并采访当时乘客的乘坐体验，同时将这些信息一并反馈给地铁公司，为提升地铁服务质量贡献力量。进而明确了课题下一步的工作方向。至此，此研究性学习活动取得阶段性成功。

总结整个过程，同学们在品尝失败的同时，也完成了知识的应用和深挖掘、深理解。最终的成功更是将所学知识发挥到极致，不仅让同学们感受到了豁然开朗的兴奋，同时讨论的过程也让同学们真正擦出了智慧的火花。将课题的最终落脚点放在提升乘坐质量上，也进一步体现了同学们服务社会的意识，以及一切科学研究工作的本质。从课题的提出到成功一直伴随着“必修1”的正常教学，它们相互支撑、相互促进。不仅让学生体验了完整的科学研究过程，也强化了对“必修1”知识的理解。

参考文献：

[1]邱爱君.例谈高中物理教学对学生探究能力的培养[J].物理教学探讨，2012，30（1）：69—71.

[2]张齐峰.高中物理校本课程开发及实践研究[J].物理教学探讨，2015，33（2）：32—35.

（栏目编辑    邓   磊）