2.1 实验探究小车速度随时间变化的规律(word教参)-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年新教材高中物理必修第一册（人教版2019）

第二章　匀变速直线运动的研究 第1节　实验：探究小车速度随时间变化的规律 （见学生用书P26） 　　[学习目标]1.进一步掌握打点计时器的使用、纸带的数据处理和测量速度的方法（科学探究）.2.通过处理实验数据探究小车的速度随时间变化的规律（科学探究）.3.会利用v－t图像处理实验数据，能根据实验数据求加速度（科学思维）. 实验思路 1.实验原理 （1）利用纸带计算瞬时速度：以纸带上某点为中间时刻取一小段位移，用这段位移的　平均速度　表示这点的瞬时速度. （2）用v－t图像表示小车的运动情况：以速度v为　纵轴　、时间t为　横轴　建立直角坐标系，用描点法画出小车的v－t图像，图线的倾斜程度表示加速度的大小，如果v－t图像是一条倾斜的直线，说明小车的速度是　均匀变化　的. 2.实验器材 打点计时器（带导线）、　交变电源　、纸带、一端带有定滑轮的长木板、小车、细绳、槽码、　刻度尺　、复写纸（墨粉）、坐标纸. 进行实验 1.如图所示，把附有滑轮的长木板放在实验桌上，并使滑轮伸出桌面，把打点计时器固定在长木板上没有滑轮的一端，连接好电路. 2.把一条细绳拴在小车上，使细绳跨过滑轮，下边挂上合适的钩码，放手后，看小车能否在木板上平稳地加速滑行，然后把纸带穿过打点计时器，并把纸带的另一端固定在小车后面. 3.把小车停在打点计时器处，先　接通电源　，后　释放小车　，让小车拖着纸带运动，打点计时器就在纸带上打下一系列小点，换上新纸带，重复实验三次. 数据记录 1.采集数据 舍掉纸带开头一些　过于密集　的点，找一个适当的点作为计时起点.可选择相隔0.1 s（或更短）的若干计数点进行测量. 如图所示，先测量出各个计数点到计时起点的距离：x1、x2、x3、x4、x5…，再计算出相邻的两个计数点间的距离：Δx1＝x1，Δx2＝x2－x1，Δx3＝x3－x2，Δx4＝x4－x3，Δx5＝x5－x4，…，填入自己设计的表中. 2.求解并记录各计数点的瞬时速度 （1）各计数点对应的瞬时速度用平均速度来代替，即v1＝，v2＝，…，vn＝. T为相邻两个计数点间的时间间隔，若交变电源频率为50 Hz，每5个点取一个计数点（中间隔4个点），则T＝0.1 s. （2）设计表格并记录相关数据 位置编号 0 1 2 3 4 5 6 … 时间t/s 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 vⅠ/（m·s－1） vⅡ/（m·s－1） vⅢ/（m·s－1） … 数据分析 1.在坐标纸上建立直角坐标系，横轴表示时间，纵轴表示速度，并根据表格中的数据在坐标系中描点. 2.画一条直线，让这条直线通过尽可能多的点，不在直线上的点均匀分布在直线的两侧，偏差比较大的点忽略不计，如图所示. 3.观察所得到的直线，分析小车速度随时间变化的规律. 4.根据所画v－t图像求出小车运动的加速度a＝. 注意事项 1.开始放开小车时，应使小车靠近打点计时器. 2.先启动打点计时器，等打点稳定后，再放开小车. 3.打点完毕，立即关闭电源. 4.选取一条点迹清晰的纸带，舍掉开头点迹密集部分，选取适当的计数点（注意计数点与计时点的区别），弄清楚所选的时间间隔T等于多少. 5.不要分段测量各段距离，应尽可能地一次测量完毕（可统一量出各计数点到计时起点的距离）. 6.在坐标纸上画v－t图像时，注意坐标轴单位长度的选取，应使图像大致布满坐标纸. 实验原理与操作 【例题1】在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中， （1）下列给出的器材中，有一部分已经选好了，请选出还需要的器材. A.电磁打点计时器　B.天平　C.低压交变电源　D.低压直流电源　E.细绳和纸带　F.槽码和小车　G.秒表　H.一端有滑轮的长铝板　I.刻度尺 选出的器材有AEFH，还需要　　　　. （2）某同学按照以下步骤进行操作： A.换上纸带重复做三次，选择一条较为理想的纸带； B.将电磁打点计时器固定在长铝板上没有滑轮的一端，接上电源； C.把小车停在靠近电磁打点计时器的地方，先放开小车，再启动电磁打点计时器； D.断开电源，取下纸带； E.把一条细绳拴在小车前端，绳跨过滑轮挂上槽码，把纸带固定在小车后端并让纸带穿过电磁打点计时器. 以上步骤有错误的是　　　　（填步骤前的字母），应更正为　　　　；步骤合理的顺序是　　　　（填步骤前的字母）. 思维导引：根据实验原理和操作步骤，确定需要的实验器材；根据实验步骤，确定操作中存在的错误，并加以改正. 解析　（1）在本实验中，不需要测量小车和槽码的质量，因此不需要天平，电磁打点计时器使用的是低压交变电源，因此不需要直流电源，同时电磁打点计时器记录了小车的运动时间，因此不需要秒表，测量点迹间的距离需要刻度尺，所以还需要的器材是C、I. （2）以上步骤有错误的是C，应先启动电磁打点计时器，再放开小车.根据组装器材、进行实验、数据处理的顺序知，操作步骤顺序为BECDA. 答案　（1）C、I　（2）C　先启动电磁打点计时器，再放开小车　BECDA 【变式1】（多选） 某同学按如图所示的装置做“探究小车速度随时间变化的规律”的实验. （1）图中仪器A叫作　　　　，使用220 V　　　　（选填“交流”或“直流”）电源，释放小车前，小车应停在　　　　（选填“靠近”或“远离”）仪器A的位置. （2）使用打点计时器分析小车运动情况的实验中，有以下基本步骤： A.释放小车让小车带着纸带运动 B.固定好纸带 C.把打点计时器固定在带定滑轮的长木板上 D.接通电源进行打点 以上步骤的正确顺序是　　　　. 解析　（1）题图中仪器A叫作电火花计时器，使用220 V交流电源，实验过程中，释放小车前，小车应停在靠近仪器A的位置. （2）使用打点计时器来分析小车运动情况的实验中，基本步骤为：先把打点计时器固定好，再固定好纸带，再接通电源进行打点，之后释放小车，让小车带着纸带运动，故正确的顺序是C、B、D、A. 答案　（1）电火花计时器　交流　靠近　（2）CBDA 实验数据处理 【例题2】在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，打点计时器使用的交变电源的频率为50 Hz，记录小车运动的一段纸带如图甲所示，在纸带上选取A、B、C、D、E、F六个计数点，相邻两计数点之间还有四个点未画出. （1）由纸带提供的数据求出打下C、E两点时小车的速度，填入表中： 计数点序号 B C D E 计数点对应的时刻t/s 0 0.1 0.2 0.3 打下计数点时小车的速度v/（m·s－1） 0.25 0.45 （2）根据表中的数据，在图乙中作出小车运动的v－t图像，分析可知小车速度随时间变化的规律为　　　　. （3）根据作出的v－t图像可得小车运动的加速度为　　　　m/s2.（结果保留两位有效数字） 解析　（1）相邻两计数点间的时间间隔为T＝0.1 s，一段很短时间内的平均速度可替代中间时刻的瞬时速度，则 vC＝＝＝0.35 m/s， vE＝＝＝0.55 m/s. （2）作出的v－t图像如图所示.小车运动的v－t图像是一条倾斜的直线，说明小车速度随时间均匀增加. （3）由（2）中图线的斜率可求得加速度a＝＝1.0 m/s2. 答案　（1）0.35　0.55　（2）见解析图　见解析　（3）1.0 处理纸带数据的方法 1.处理纸带时，一定要分清计时点和计数点，搞清计数点之间的时间间隔T. 2.利用极限思想将平均值代替瞬时值是物理学中常用的方法.纸带上某点的瞬时速度等于以此点为中间时刻的前、后相邻两点间的平均速度. 3.标度的选择要结合数据及其分布特点制定，以使图像在坐标系中合理分布，大小适中. 【变式2】某同学在做“探究小车速度随时间变化的规律”的实验时，打点计时器所用电源的频率是50 Hz，在实验中得到一条点迹清晰的纸带，他把某一点记作O，再依次选6个点作为计数点，分别标以A、B、C、D、E和F，如图甲所示. （1）如果测得C、D两点相距2.70 cm，D、E两点相距2.90 cm，则在打D点时小车的速度是　　　　m/s. （2）该同学分别算出打各点时小车的速度，然后根据数据在v－t坐标系中已描好点，请在图乙中作出小车的v－t图像，并求出小车的加速度a＝　　　　m/s2. 解析　（1）vD＝＝＝1.40 m/s. （2）小车的v－t图像如图所示，a＝＝5.00 m/s2. 答案　（1）1.40　（2）见解析图　5.00 1.（实验原理与操作）（多选）在“探究小车速度随时间变化规律”的实验中，下列操作中正确的是（　　） A.在释放小车前，小车要靠近打点计时器 B.打点计时器应放在长木板的有滑轮一端 C.应先接通电源，后释放小车 D.电火花计时器应使用低压交流电源 答案　AC　 解析　由于小车速度较快，且运动距离有限，打出的纸带长度也有限，为了尽可能增加纸带长度，且在纸带上尽可能多地获取间距适当的数据点，在释放小车前，小车要靠近打点计时器，且应先接通电源，后释放小车，选项A、C正确；打点计时器应放在长木板没有滑轮的一端，选项B错误；电火花计时器应使用220 V交流电源，选项D错误. 2.（实验数据处理）某同学利用图示装置研究小车的匀变速直线运动. （1）实验中，必要的措施是　　　　. A.先释放小车再接通电源 B.先接通电源再释放小车 C.将小车放在靠近打点计时器的一端 D.将小车放在远离打点计时器的一端 （2）他实验时将打点计时器接到频率为100 Hz的电源上，得到一条纸带，打出的部分计数点如图所示（每相邻两个计数点间还有9个点，图中未画出）. s1＝3.59 cm，s2＝4.41 cm，s3＝5.19 cm，s4＝5.97 cm，s5＝6.78 cm，s6＝7.64 cm，则小车的加速度a＝　　　　m/s2（充分利用测量的数据），打点计时器在打点时小车的速度vB＝　　　　m/s.（结果均保留两位有效数字） 解析　（1）实验时应先接通电源，待打点计时器打点稳定后再释放小车，选项A错误，B正确；为了充分利用纸带获取多的数据，应将小车放在靠近打点计时器的一端，选项C正确，D错误. （2）电源频率为100 Hz，则打点计时器每隔0.01 s打一个点，纸带上每相邻两个计数点间还有9个点，图中未画出，则知纸带上每相邻两个计数点间的时间间隔为T＝10×0.01 s＝0.1 s，a＝＝0.80 m/s2. 由中间时刻的瞬时速度等于平均速度，可得打点计时器在打B点时小车的速度vB＝＝×10－2 m/s＝0.40 m/s. 答案　（1）BC　（2）0.80　0.40 学科网（北京）股份有限公司 $$