Question

3．小艾利用如图所示的装置测量小车的由静止开始运动60cm路程的平均速度，主要器材包括长木板、垫块、小车、机械秒表、刻度尺等．

（1）在设计实验时，小艾想到两个方案：
方案一：让小车从斜面顶端自由滑下，同时开始通过秒表计时，2秒钟后记录小车到达的位置，测量出小车运动的距离，计算其速度．
方案二：从斜面上适当位置量取60cm，并做上标记，作为小车运动的起点和终点，让小车从起点自由落下，同时通过秒表计时，记录小车到达终点的时间，计算其速度．
你认为两个方案中，更便于操作的是？方案二．
你的理由：因为在方案一中，测试者的眼睛要同时关注秒表计时和小车运动情况，且当眼睛看到时间截止时，再通过肉眼观察记录小车瞬时所处的位置，误差较大；
而在方案二中，人眼只需要关注小车是否从起点出发和是否到达终点，同时手按秒表计时即可，便于操作．．
（2）小艾决定先采用方案二尝试一下，为了测量更准确，小艾请同桌小吴、小李也同时分别用秒表计时，他们三人的实验数据如表所示：

测量者	小车运动的距离s/m	小车运动的时间t/s	小车的速度 v/m•s-1
小艾	0.6	1.3	0.46
小吴	0.6	1.1	0.54
小李	0.6	1.2	0.5

他们发现，三人所测时间有一定的差异，你认为这种差异可能是由什么原因造成的？三人对小车是否从起点出发、是否到达终点的判断有差异．最后他们测量的速度最后结果应该是0.5m/s．
（3）完成了测量后，小艾又提出：小车下滑的速度会不会与小车的质量有关呢？于是他们向老师要了若干砝码，你认为他们接下来应该怎样进行试验？保持斜面的坡度、下滑的高度等其它条件不变，在小车中加不同质量的砝码进行实验．
最后他们测量的小车在同一斜面由静止开始运动60cm的平均速度几乎没有变化，这时为什么呢？对于这样的结果小艾非常疑惑，老师说这与高中物理知识自由落体运动类似．
课后小艾在网上查阅了下面的资料：物体只在重力作用下从静止开始下落的运动叫做自由落体运动（如图甲所示），当年人们在研究这种运动的规律时，实验条件、测量手段均不能满足要求，伽利略首先对小球从斜面上滚下时的运动规律进行了研究（如图乙所示），然后通过巧妙合理的推理，最终得到了自由落体运动的规律．由乙图的研究过度到甲图自由落体还需要多次实验，你知道他是如何做吗？
请尝试用图示或文字描述还需要进行的多次实验中的一次实验：逐渐增大斜面的坡度，对小球从斜面上滚下时的运动规律进行研究．

Answer 1

分析 （1）通过比较在两个方案在实验操作过程中的优缺点分析解答；
（2）可以从三人的反应，人的眼、脑、手的配合情况，以及对小车是否从起点出发、是否到达终点的判断等方面寻找原因；
（3）根据控制变量法的要求，设计探究小车下滑的速度会不会与小车的质量有关的实验步骤；
观察图示，得出由乙图的研究过渡到甲图自由落体所需要进行的实验步骤．

解答 解：（1）两个方案中，更便于操作的是方案二；
因为在方案一中，测试者的眼睛要同时关注秒表计时和小车运动情况，且当眼睛看到时间截止时，再通过肉眼观察记录小车瞬时所处的位置，误差较大；
而在方案二中，人眼只需要关注小车是否从起点出发和是否到达终点，同时手按秒表计时即可，便于操作．
（2）有表中数据可知，三人所测时间有一定的差异，产生这种差异可能的原因是：
①三人对小车是否从起点出发、是否到达终点的判断有差异；
②是三人的眼、脑、手的配合情况；
③三人的反应速度有一定的差异；
三人测量的路程均为s=0.6m，时间t=$\frac{1.3s+1.1s+1.2s}{3}$=1.2s，则平均速度v=$\frac{s}{t}$=$\frac{0.6m}{1.2s}$=0.5m/s，
所以，最后他们测量的速度最后结果应该是0.5m/s；
（3）探究小车下滑的速度会不会与小车的质量有关，根据控制变量法的要求，应该控制斜面的坡度、下滑的高度等其它条件不变，改变小车的质量，所以接下来应该保持斜面的坡度、下滑的高度等其它条件不变，在小车中加不同质量的砝码进行实验，如图所示：
文字描述：观察图示可知，探究物体只在重力作用下从静止开始下落的运动叫做自由落体运动，坡度角为90°，而伽利略首先对小球从斜面上滚下时的运动规律进行了研究，然后通过巧妙合理的推理，最终得到了自由落体运动的规律．因此，由乙图的研究过渡到甲图自由落体，可以逐渐增大斜面的坡度，对小球从斜面上滚下时的运动规律进行研究．
故答案为：
（1）方案二；因为在方案一中，测试者的眼睛要同时关注秒表计时和小车运动情况，且当眼睛看到时间截止时，再通过肉眼观察记录小车瞬时所处的位置，误差较大；而在方案二中，人眼只需要关注小车是否从起点出发和是否到达终点，同时手按秒表计时即可，便于操作．
（2）三人对小车是否从起点出发、是否到达终点的判断有差异；0.5；
（3）保持斜面的坡度、下滑的高度等其它条件不变，在小车中加不同质量的砝码进行实验；逐渐增大斜面的坡度，对小球从斜面上滚下时的运动规律进行研究．

点评 此题为探究性实验题目，考查学生对平均速度测量过程中经常出现的一些问题，重点考查学生对实验设计、实验分析以及实验评估的能力，有些问题答案不唯一，在解答过程中特比要注意控制变量法的应用．