一、从零搭一台实验
重物牵引下,小车加速前进。
纸带上留下一串点——那是一段被"记下来"的运动。
(2026-10-10晚上10:12。天气转凉了。桌上那杯茶从下午泡到现在,一层薄薄的水汽在杯口凝着。)
2026年10月28日,星期三,下午第二节。物理实验室二。
老师说:"今天我们做实验。探究小车在重物牵引下,速度随时间变化的规律。"
实验台上摆着一堆东西。长木板,一端带滑轮。一辆蓝色的小车——比文具盒大一点,四个轮子是白色塑料的。一台电磁打点计时器,铁皮的,有点旧,边角掉了漆。一条白色纸带。一盒槽码。一根细绳。还有一把刻度尺,是从实验箱里翻出来的。
"第一步,"老师说,"先别急着动手。想清楚三个问题。"
他在黑板上写:
① 小车速度怎么测?
② 时间怎么记录?
③ 变化规律怎么看?
小理没动。他盯着那堆器材看。
纸带——他上学期用过。点之间是固定时间。从点距能看出位移。
打点计时器——50Hz交流电,每0.02秒打一个点。时间不用管,它自己会跑。
小车——它会加速。但到底是怎么加速的?均匀加速?还是先快后慢?他也不知道。
老师在黑板上写了三行字:
测量:用打点计时器和纸带,算出每一段的瞬时速度。
记录:把每个计数点的时间和速度,列成一张表。
分析:用这些数据画出 v-t 图像,看看它们是什么形状。
"你们发现问题了吗?"老师问,"为什么我们要画 v-t 图像,而不是直接看纸带?"
教室里安静了一下。
"因为纸带上的点,"小理说,"看不出加速度。"
"那能看出什么?"
"能看出位置和时间。"
"对。"老师说,"纸带能告诉你'小车在哪儿'和'什么时候在那儿'。但速度,得算。加速度,得看图。"
"纸带是数据,图像才是规律。"
小理在笔记本上写了一行:
"实验,不是动手。实验,是想明白'要什么数据',再去动手。"
写到一半,他把"动手"两个字划掉,改成了"去测"。
……实验课上最容易犯的错,是没想清楚就开始做。
① 测速度:用打点计时器和纸带,用某段位移的平均速度代替中间点的瞬时速度
② 记录数据:以速度 v 为纵轴、时间 t 为横轴建立坐标系
③ 分析规律:用描点法画出 v-t 图像,观察图线形状
两点之间量位移。
中间速度用平均,
描点画图找规律。
- 人民教育出版社课程教材研究所.《普通高中教科书·物理·必修第一册》第二章第1节「实验:探究小车速度随时间变化的规律」. 人民教育出版社, 2019: 37-39.
- 中华人民共和国教育部.《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》. 人民教育出版社, 2020: 15-18.
二、三次失败换一条纸带
每一步都有讲究。
(想清楚思路容易,真动手的时候,小理连打三次才成。)
(10:34。窗外有人在收晾衣绳。铁架子"当"了一声,晾衣绳被拽下去了。)
2026年10月28日,星期三,下午第二节。物理实验室二。
小理开始动手。
第一步,装仪器。打点计时器固定在木板一端。他把限位孔对准木板中央,用手掰了掰,确认打点计时器没有歪。
第二步,连绳。小车放上去,细绳从车头绕到滑轮,下面挂了一枚槽码。他松手试了试——小车动了,但速度有点猛,跑到木板尽头差点掉下来。
"槽码重了。"老师说,"换轻的。"
他把槽码换了一枚,再试。这次车速刚好。
第三步,打点。
小理深吸一口气。接通电源,松手。
纸带出来了。他拿起来一看——整条纸带上的点密得连成了一条黑线。
"拉太快了?"他问。
"不是拉。"老师走过来,"是松手太快。要让小车自己动,你不管它。"
第二次,小理松手慢了一点,但电源忘了关。打点计时器在纸带上又打了一串点,跟前面那串混在一起,分不清。
"打点结束立即关电源。"老师说,"这是操作规范。"
第三次,小理按顺序来。先接电源,再松手,小车跑完立刻关电源。这次纸带上的点一清二楚。他拿尺子量了量:点之间的间距越来越大——从5毫米到8毫米到12毫米到18毫米。
"看到了吗?"老师问,"点距越来越大,说明速度越来越快。"
小理盯着那条纸带看了很久。
他忽然想:这条纸带,其实就是一辆小车,被"压缩"进了一串点。点距是位移,点的时间是0.02秒。小车每一刻的位置,都被记在这条白纸带上了。
"一条纸带,就是一段运动的日记。"
下课的时候,他把这条纸带夹在笔记本里,跟之前《1.3 速度》和《1.4 加速度》那几条放在一起。
这是第四条纸带了。
……笔记本越来越厚。物理就是这样一点一点长出来的。
点距越来越大。
速度快不快,看纸带就能看出来。
① 固定打点计时器时,限位孔应在长木板中央
② 滑轮不能过高,细绳应与木板平行
③ 小车应从紧靠打点计时器处开始释放,撞板前应停止
④ 先接通电源,后释放小车
⑤ 打点结束后立即关闭电源
先开电源后放车。
打点结束立即关,
换张纸带再一遍。
- 人教版《物理》必修第一册 第二章第1节「实验:探究小车速度随时间变化的规律」. 人民教育出版社, 2019: 39-41.
- 人教版《物理》教师教学用书·必修第一册. 人民教育出版社, 2019: 50-54.
三、每隔0.1秒一个点
从合适的位置开始,每5个点取一个计数点。
计数点之间的时间是0.1秒。
(纸带打出来了,现在要把它变成数据。)
(11:02。隔壁实验室有人在洗瓶子,水龙头哗哗响。)
2026年10月28日,星期三,下午第二节。物理实验室二。
纸带铺在实验台上。小理拿尺子开始量。
"不要从头量。"老师说,"开头这段点太密,测量误差大。往后挪一挪,从第6个点开始当计时零点。"
小理挪了挪尺子。从选定的"0"点开始,每5个点标一个计数点。0、1、2、3、4、5。相邻两个计数点中间有4个点没画。
"时间间隔是多少?"
"5 × 0.02 = 0.1 秒。"小理说。
他从0点开始,依次量出每个计数点到0点的距离:d₁、d₂、d₃……
d₁ = 5.0 cm;d₂ = 9.6 cm;d₃ = 15.4 cm;d₄ = 22.2 cm;d₅ = 30.0 cm;d₆ = 38.8 cm。
"现在算速度。"老师说,"第1个计数点的瞬时速度怎么算?"
"用0到2之间的位移,除以这两段的总时间。"
"为什么?"
"因为1是中间点。Δt越小,平均速度越接近瞬时速度。"
"对。"老师说,"那具体怎么算?"
小理低头算:
v₁ = d₂/(2T) = 9.6 cm ÷ 0.2 s = 48.0 cm/s = 0.48 m/s
v₂ = (d₃-d₁)/(2T) = (15.4-5.0) ÷ 0.2 = 52.0 cm/s = 0.52 m/s
v₃ = (d₄-d₂)/(2T) = (22.2-9.6) ÷ 0.2 = 63.0 cm/s = 0.63 m/s
v₄ = (d₅-d₃)/(2T) = (30.0-15.4) ÷ 0.2 = 73.0 cm/s = 0.73 m/s
v₅ = (d₆-d₄)/(2T) = (38.8-22.2) ÷ 0.2 = 83.0 cm/s = 0.83 m/s
他把这些数抄进表格。
0.48、0.52、0.63、0.73、0.83。
每0.1秒增加约0.1 m/s。
"如果算相邻的速度差——"老师说。
小理算:0.52-0.48=0.04;0.63-0.52=0.11;0.73-0.63=0.10;0.83-0.73=0.10。
"差不多的。"
"差不多是多少?"
"0.1 m/s。"
"除以0.1秒——"
"……1 m/s²。"
"每隔0.1秒,速度增加约0.1 m/s。"
小理忽然明白了一件事:他手里这张表,已经能看出规律了。但表太抽象。要是能画成图……
……老师说的"下一步",大概就是画图了。
| 位置编号 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 时间 t/s | 0 | 0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.5 |
| 位移 d/cm | 0 | 5.0 | 9.6 | 15.4 | 22.2 | 30.0 |
| v / (m/s) | — | 0.48 | 0.52 | 0.63 | 0.73 | 0.83 |
| Δv / (m/s) | — | — | 0.04 | 0.11 | 0.10 | 0.10 |
v₁ = d₂/(2T),v₂ = (d₃-d₁)/(2T),v₃ = (d₄-d₂)/(2T),……
意义:用相邻两点之间的平均速度,近似表示中间点的瞬时速度。
规律:如果算出来的 Δv 差不多相等,说明小车做的是"匀变速直线运动"。
五个一跳取计数。
中间速度用平均,
相邻两点隔0.1秒。
速度差除以时间,
差不多就是加速度。
- 人教版《物理》必修第一册 第二章第1节「实验:探究小车速度随时间变化的规律」. 人民教育出版社, 2019: 41-43.
- 人教版《物理》教师教学用书·必修第一册. 人民教育出版社, 2019: 54-58.
四、一条斜线背后的规律
连起来——是一条直线。
直线的斜率,就是加速度。
(表格里的数字已经看出来了,但老师说——画出来才算真正看懂。)
(11:28。外面雨停了。刚才那点雨不到十分钟就没了。)
2026年10月28日,星期三,下午第三节。物理实验室二。
小理拿了一张坐标纸。纵轴速度 v,横轴时间 t。
五个数据点:(0.1, 0.48),(0.2, 0.52),(0.3, 0.63),(0.4, 0.73),(0.5, 0.83)。
他一个一个描上去。
第一个点,在坐标纸左下角一点点的位置。第二个点,比第一个点稍微高一点。第三个、第四个、第五个……越描越往上。
描完五个点,他愣了一下。
这五个点,不是完美地在一条线上。它们有一点点散,但整体上——往右上方向排着。
"老师说,如果这些点差不多在一条线上——"他自言自语,"那就画一条直线。"
他拿尺子,试了几次。
第一次,线太靠下,点全在上面。
第二次,线太靠上,点全在下面。
第三次,他找到一条线,让五个点尽量均匀分布在两边。他数了数:两个在线上方,一个在线上,两个在线下方。
"可以。"他小声说。
然后用铅笔轻轻描上这条直线。
"这条直线说明什么?"老师走过来问。
"速度随时间均匀增加。"
"为什么是均匀?"
"因为直线。如果速度增加得忽快忽慢,线应该是弯的。"
"对。"老师说,"现在算一下这条直线的斜率。"
小理找两个点:起点(0.1, 0.48)和终点(0.5, 0.83)。
Δv = 0.83 - 0.48 = 0.35 m/s。Δt = 0.5 - 0.1 = 0.4 s。
斜率 = Δv/Δt = 0.35/0.4 ≈ 0.875 m/s²。
"这个数是什么?"
"加速度。"
"对。v-t 图像的斜率,就是加速度。"
"一条直线,一个斜率,一个加速度。"
小理重新看了那条线。
他想起前几节课学过的:v-t 图像不是运动轨迹,水平线是匀速,向上斜是加速,向下斜是减速。现在,这条线是向上斜的。小车做的是"匀加速直线运动"。
"老师,"他问,"那开头那些点为什么那么密?"
"因为刚起步的时候速度小,点距也小。"老师说,"所以我们要舍掉开头一段,从速度比较大的地方开始取点。"
小理点了点头。
下课的时候,他把这张坐标纸夹进笔记本,跟前面几条纸带放在一起。
他看了一下笔记本——前面几条纸带已经有点卷边了。
……从《1.1 质点 参考系》到现在,一个多月了。
是找一条"最合理"的直线。
① 建系:选择合适的标度,让图像尽量充满坐标平面
② 描点:根据数据确定点的位置
③ 拟合:画一条直线,让尽可能多的点在线上,其余均匀分布,去掉偏差太大的点
斜率的物理意义:v-t 图像的斜率 = Δv/Δt = 加速度 a
直线说明匀变速。
斜率就等于加速度,
偏差大的点去掉。
- 人教版《物理》必修第一册 第二章第1节「实验:探究小车速度随时间变化的规律」. 人民教育出版社, 2019: 43-46.
- 人教版《物理》教师教学用书·必修第一册. 人民教育出版社, 2019: 58-62.
综合闯关
知识点总结
(12:08。写完了。窗外有一只鸟在叫。)
| 环节 | 要点 | 关键操作 |
|---|---|---|
| 实验思路 | 用打点计时器和纸带,研究小车速度随时间变化的规律 | 测速度 → 记录数据 → 画 v-t 图像 |
| 装置安装 | 木板平放、滑轮伸出、限位孔居中、细绳平行 | 打点计时器固定在无滑轮一端 |
| 操作步骤 | 先接通电源,后释放小车,打点结束立即关电源 | 换纸带、增减槽码,重复三次 |
| 纸带选取 | 舍掉开头密集点,从合适位置开始 | 每5个点取1个计数点,间隔0.1s |
| 瞬时速度 | 中间点瞬时速度 = 相邻两点位移 / 2T | v₁ = d₂/(2T),v₂ = (d₃-d₁)/(2T),…… |
| v-t 图像 | 描点拟合出直线,斜率 = 加速度 | 点多在线上、两边均匀、去掉偏差大的点 |
先接电源后放车。
密点舍掉取计数,
中间速度用平均。
描点画线看斜率,
直线说明匀变速。
参考资料
- 人民教育出版社课程教材研究所.《普通高中教科书·物理·必修第一册》第二章第1节「实验:探究小车速度随时间变化的规律」. 人民教育出版社, 2019: 37-46.
- 中华人民共和国教育部.《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》. 人民教育出版社, 2020: 15-18.
- 人教版《物理》教师教学用书·必修第一册. 人民教育出版社, 2019: 50-62.
- Feynman R. P., Leighton R. B., Sands M.《费曼物理学讲义》第一卷, 第8章「运动」. 上海科学技术出版社: 60-72.


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