Question

3．小艾利用如圖所示的裝置測量小車的由靜止開始運動60cm路程的平均速度，主要器材包括長木板、墊塊、小車、機械秒表、刻度尺等．

（1）在設計實驗時，小艾想到兩個方案：
方案一：讓小車從斜面頂端自由滑下，同時開始通過秒表計時，2秒鐘后記錄小車到達的位置，測量出小車運動的距離，計算其速度．
方案二：從斜面上適當位置量取60cm，并做上標記，作為小車運動的起點和終點，讓小車從起點自由落下，同時通過秒表計時，記錄小車到達終點的時間，計算其速度．
你認為兩個方案中，更便于操作的是？方案二．
你的理由：因為在方案一中，測試者的眼睛要同時關注秒表計時和小車運動情況，且當眼睛看到時間截止時，再通過肉眼觀察記錄小車瞬時所處的位置，誤差較大；
而在方案二中，人眼只需要關注小車是否從起點出發(fā)和是否到達終點，同時手按秒表計時即可，便于操作．．
（2）小艾決定先采用方案二嘗試一下，為了測量更準確，小艾請同桌小吳、小李也同時分別用秒表計時，他們?nèi)�人的實驗�?shù)據(jù)如表所示：

測量者	小車運動的距離s/m	小車運動的時間t/s	小車的速度 v/m•s-1
小艾	0.6	1.3	0.46
小吳	0.6	1.1	0.54
小李	0.6	1.2	0.5

他們發(fā)現(xiàn)，三人所測時間有一定的差異，你認為這種差異可能是由什么原因造成的？三人對小車是否從起點出發(fā)、是否到達終點的判斷有差異．最后他們測量的速度最后結果應該是0.5m/s．
（3）完成了測量后，小艾又提出：小車下滑的速度會不會與小車的質(zhì)量有關呢？于是他們向老師要了若干砝碼，你認為他們接下來應該怎樣進行試驗？保持斜面的坡度、下滑的高度等其它條件不變，在小車中加不同質(zhì)量的砝碼進行實驗．
最后他們測量的小車在同一斜面由靜止開始運動60cm的平均速度幾乎沒有變化，這時為什么呢？對于這樣的結果小艾非常疑惑，老師說這與高中物理知識自由落體運動類似．
課后小艾在網(wǎng)上查閱了下面的資料：物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動叫做自由落體運動（如圖甲所示），當年人們在研究這種運動的規(guī)律時，實驗條件、測量手段均不能滿足要求，伽利略首先對小球從斜面上滾下時的運動規(guī)律進行了研究（如圖乙所示），然后通過巧妙合理的推理，最終得到了自由落體運動的規(guī)律．由乙圖的研究過度到甲圖自由落體還需要多次實驗，你知道他是如何做嗎？
請嘗試用圖示或文字描述還需要進行的多次實驗中的一次實驗：逐漸增大斜面的坡度，對小球從斜面上滾下時的運動規(guī)律進行研究．

Answer 1

分析 （1）通過比較在兩個方案在實驗操作過程中的優(yōu)缺點分析解答；
（2）可以從三人的反應，人的眼、腦、手的配合情況，以及對小車是否從起點出發(fā)、是否到達終點的判斷等方面尋找原因；
（3）根據(jù)控制變量法的要求，設計探究小車下滑的速度會不會與小車的質(zhì)量有關的實驗步驟；
觀察圖示，得出由乙圖的研究過渡到甲圖自由落體所需要進行的實驗步驟．

解答 解：（1）兩個方案中，更便于操作的是方案二；
因為在方案一中，測試者的眼睛要同時關注秒表計時和小車運動情況，且當眼睛看到時間截止時，再通過肉眼觀察記錄小車瞬時所處的位置，誤差較大；
而在方案二中，人眼只需要關注小車是否從起點出發(fā)和是否到達終點，同時手按秒表計時即可，便于操作．
（2）有表中數(shù)據(jù)可知，三人所測時間有一定的差異，產(chǎn)生這種差異可能的原因是：
①三人對小車是否從起點出發(fā)、是否到達終點的判斷有差異；
②是三人的眼、腦、手的配合情況；
③三人的反應速度有一定的差異；
三人測量的路程均為s=0.6m，時間t=$\frac{1.3s+1.1s+1.2s}{3}$=1.2s，則平均速度v=$\frac{s}{t}$=$\frac{0.6m}{1.2s}$=0.5m/s，
所以，最后他們測量的速度最后結果應該是0.5m/s；
（3）探究小車下滑的速度會不會與小車的質(zhì)量有關，根據(jù)控制變量法的要求，應該控制斜面的坡度、下滑的高度等其它條件不變，改變小車的質(zhì)量，所以接下來應該保持斜面的坡度、下滑的高度等其它條件不變，在小車中加不同質(zhì)量的砝碼進行實驗，如圖所示：
文字描述：觀察圖示可知，探究物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動叫做自由落體運動，坡度角為90°，而伽利略首先對小球從斜面上滾下時的運動規(guī)律進行了研究，然后通過巧妙合理的推理，最終得到了自由落體運動的規(guī)律．因此，由乙圖的研究過渡到甲圖自由落體，可以逐漸增大斜面的坡度，對小球從斜面上滾下時的運動規(guī)律進行研究．
故答案為：
（1）方案二；因為在方案一中，測試者的眼睛要同時關注秒表計時和小車運動情況，且當眼睛看到時間截止時，再通過肉眼觀察記錄小車瞬時所處的位置，誤差較大；而在方案二中，人眼只需要關注小車是否從起點出發(fā)和是否到達終點，同時手按秒表計時即可，便于操作．
（2）三人對小車是否從起點出發(fā)、是否到達終點的判斷有差異；0.5；
（3）保持斜面的坡度、下滑的高度等其它條件不變，在小車中加不同質(zhì)量的砝碼進行實驗；逐漸增大斜面的坡度，對小球從斜面上滾下時的運動規(guī)律進行研究．

點評 此題為探究性實驗題目，考查學生對平均速度測量過程中經(jīng)常出現(xiàn)的一些問題，重點考查學生對實驗設計、實驗分析以及實驗評估的能力，有些問題答案不唯一，在解答過程中特比要注意控制變量法的應用．