第1章 实验一 探究小车速度随时间变化的规律-【优化探究】2025年高考物理一轮复习高考总复习配套课件（教科版2019）

实验一　探究小车速度随时间变化的规律 第一章　运动的描述　匀变速直线运动的研究 实验技能 自主学习 实验要点 互动探究 达标检测 巩固提高 命题点一　教材原型实验 命题点二　实验创新设计 内容索引 实验技能 自主学习 一 3 方案一　用打点计时器进行研究 1．实验原理 (1)电磁打点计时器与电火花打点计时器的比较(如图所示) 2．实验器材 打点计时器、附有定滑轮的长木板、小车、纸带、细绳、刻度尺、导线、交流电源、坐标纸。 3．实验操作 (1)按照实验装置，把打点计时器固定在长木板无滑轮的一端，接好电源； (2)把一细绳系在小车上，细绳绕过滑轮，纸带穿过打点计时器，固定在小车后面； (3)把小车停在靠近打点计时器处，先接通电源，后用手拉动细绳，使小车沿木板做直线运动； (4)小车运动一段时间后，断开电源，取下纸带； (5)更换纸带重复实验三次，选择一条比较理想的纸带进行测量、分析。 4．注意事项 (1)平行：纸带、细绳要和长木板平行。 (2)两先两后：实验中应先接通电源，后让小车运动；实验完毕应先断开电源，后取纸带。 (3)防止碰撞：在到达长木板末端前应让小车停止运动，防止小车与滑轮相撞。 (4)纸带选取：选择一条点迹清晰的纸带，舍弃点密集部分，适当选取计数点。 (5)准确作图：在坐标纸上，纵、横轴选取合适的单位(避免所描点过密或过疏而导致误差过大)，仔细描点连线，不能连成折线，应作一条直线，让尽量多的点落到这条直线上，落不到直线上的点应均匀分布在直线的两侧。 方案二　用位移传感器进行研究 1．实验器材 位移传感器、数据采集器、计算机、力学轨道、小车等。 2．实验步骤 (1)硬件系统的连接和调整。将轨道支架、力学轨道、位移传感器、接收端、数据采集器和计算机连接起来，如图所示。 (2)对软件系统进行设置。启动计算机，打开位移传感器，进入软件界面，在采集设置中点击“调零”按钮，同时将小车放置在斜面顶端保持静止。 (3)开始实验。点击软件“开始”按钮的同时，释放小车，表格自动记录数据。 3．数据处理 (1)在软件的绘图设置对话框中，将横轴设置为t，纵轴设置为v，可以生成v－t的散点图； (2)利用软件的图像分析中的“线性拟合”功能，得到v－t图像。 1．依据纸带判断物体是否做匀变速直线运动 (1)x1、x2、x3、…、xn是相邻两计数点间的距离。 (2)Δx是两个连续相等的时间内的位移差：Δx1＝x2－x1，Δx2＝x3－x2，… (3)T是相邻两计数点间的时间间隔：T＝0.02n s(打点计时器的频率为50 Hz，n为两计数点间计时点的间隔数)。 (4)Δx＝aT2，只要小车做匀变速直线运动，它在任意两个连续相等的时间间隔内的位移之差就一定相等。 二 实验要点 互动探究 19 命题点一　教材原型实验 角度1　实验原理与操作 [典例1]　某同学采用如图甲所示的装置及电火花计时器探究小车做匀变速直线运动的特点。 (1)为完成本实验，下列器材中必须有的是(填编号)________。 ①天平 ②4～6 V低压直流电源 ③刻度尺 ④秒表 ③ (1)在处理纸带求解速度与加速度的过程中，物体的质量不需要知道，所以不需要用天平测物体的质量，故①错误；实验使用的电源必须是交流电源，故②错误；刻度尺要用来测量纸带上各点之间的距离，所以必须要有刻度尺，故③正确；打点计时器本身就是计时的仪器，所以不需要秒表，故④错误。 (2)安装好实验装置后开始实验。实验中以下操作必要的是________。 A．托盘和砝码的总质量要远小于小车的总质量 B．调整滑轮的高度，使细线与长木板平行 C．将长木板远离滑轮的一端用小木块垫起 D．释放小车前，小车应尽可能靠近打点计时器放置 E．选择平直且各处粗糙程度相同的长木板做实验 BDE (2)不管托盘和砝码的总质量与小车的总质量大小关系如何，只要小车做匀变速直线运动即可，即托盘和砝码的总质量不需要远小于小车的总质量，故A错误；调整滑轮的高度，使细线与长木板平行，保证小车所受的合力在运动过程中不变，故B正确；将长木板远离滑轮的一端用小木块垫起是为了平衡摩擦力，但本实验是探究小车做匀变速直线运动的特点，不管是否平衡摩擦力，只要小车做匀变速直线运动即可，因此不需要将长木板远离滑轮的一端用小木块垫起，故C错误；为了提高纸带的利用率，释放小车前，小车应尽可能靠近打点计时器放置，故D正确；为了保证小车受力稳定，做匀变速直线运动，因此要选择平直且各处粗糙程度相同的长木板做实验，故E正确。 (3)实验中获得某条点迹清晰的纸带如图乙所示，已知打点计时器所用交流电频率为f，若________________________(填写表达式，用题及图中物理量表示)，则可认为匀变速直线运动具有___________________________________的特点(提示：填有关速度或位移的特点)。 s4－s3＝s3－s2＝s2－s1 连续相等时间间隔内的位移之差相等 (3)匀变速直线运动在连续相等的时间间隔内的位移差相等，本实验要探究小车做匀变速直线运动的特点，即s4－s3＝s3－s2＝s2－s1。 角度2　数据处理与分析 [典例2]　(2023·重庆模拟)某同学在“探究小车速度随时间变化的规律”实验中，用打点计时器记录了被小车拖动的纸带的运动情况。如图1所示，在纸带上选取7个计数点，每相邻两个计数点之间还有4个计时点未画出，用刻度尺测量出各计数点1、2、3、4、5、6到“0”点的距离依次为3.20 cm、7.20 cm、11.98 cm、17.58 cm、24.00 cm、31.24 cm。 (1)已知打点计时器所用电源是频率为50 Hz的交流电，试根据纸带上各计数点间的距离，计算出打下1、2、3、4、5五个点时小车的瞬时速度，并将表中的速度值补充完整(均保留两位有效数字)。 计数点 1 2 3 4 5 速度 v1 v2 v3 v4 v5 速度值(m/s) ______ 0.44 0.52 0.60 ______ 0.36 0.68 (2)以“0”点为计时起点，将表中1、2、3、4、5五个计数点对应的小车的瞬时速度标在图2所示的直角坐标系中，并画出小车的瞬时速度v随时间t变化的关系图像。 [答案]　图见解析 (2)画出小车的瞬时速度v随时间t变化的关系图像如图所示。 (3)由(2)中所画的v－t图像，可以求出小车在打点计时器打下计数点“0”时的速度大小为______ m/s，加速度大小为______ m/s2。(均保留两位有效数字) 0.28 0.80 命题点二　实验创新设计 1．实验器材的改进及速度的测量方法 2．获得加速度方法的改进 靠重物的拉力获得加速度→长木板倾斜靠重力获得加速度，如图甲、乙所示。 3．用频闪照相的方法、滴水法或光电计时器、手机录像代替打点计时器。 通过以上装置的改进能最大限度地减少因长木板和打点计时器的限位孔的阻力而导致的小车加速度不恒定，使小车尽可能做匀加速直线运动，以提高实验的精确度。 角度1　实验器材创新 [典例3]　(2023·浙江温州模拟)如图所示，在已调节水平的气垫导轨上测滑块运动的加速度。先测得遮光条宽度Δx＝2.00 cm，滑块在槽码重力作用下先后通过两个光电门，配套的数字计时器记录了遮光条通过第一个光电门的时间Δt1＝0.200 s，通过第二个光电门的时间Δt2＝0.050 s，遮光条从遮住第一个光电门到遮住第二个光电门的时间间隔t＝2.500 s，则滑块的加速度a＝__________m/s2(保留三位有效数字)。 0.120 小张认为不必测量时间t而改为测量________________________，也能测出滑块的加速度a。为了提高测量加速度的精度，在选择遮光条宽度Δx时，需要考虑的因素有(写出其中的两项)：_______________________________________。 两光电门中心间的距离 遮光条应选择较窄的，但不能过窄 角度2　实验数据处理创新 [典例4]　(2023·广东广州模拟)用如图甲所示的实验装置来测量匀变速直线运动的加速度。 (1)实验的主要步骤： ①用游标卡尺测量挡光片的宽度d，结果如图乙所示，则d＝________mm； ②用刻度尺测量A点与光电门所在位置B点之间的水平距离x； ③滑块从A点由静止释放(已知砝码落地前挡光片已通过光电门)； ④读出挡光片通过光电门所用的时间t； ⑤改变光电门的位置，滑块每次都从A点由静止释放，测量相应的x值并读出t值。 6.60 ①主尺读数为6 mm，游标尺读数为0.05 mm×12＝0.60 mm，最终读数为6.60 mm。 2.38×104(2.28×104～ 2.52×104均正确) 0.518(0.497～0.549均正确) 角度3　实验目的创新 [典例5]　“筋膜枪”是利用内部电机带动“枪头”高频冲击肌肉，缓解肌肉酸痛的设备。某同学为了测量“枪头”的冲击频率，将带限位孔的塑料底板固定在墙面上，“枪头”放在限位孔上方，靠近并正对纸带，如图(a)所示。启动筋膜枪，松开纸带，让纸带在重锤带动下穿过限位孔，“枪头”在纸带上打下系列点迹。更换纸带，重复操作，得到多条纸带，选取点迹清晰的纸带并舍去密集点迹。 (1)该同学发现点迹有拖尾现象，他在测量各点间距时，以拖尾点迹左边为测量点，如图(b)。 ①纸带的________(选填“左”或“右”)端连接重锤； ②取重力加速度为9.8 m/s2，可算得“枪头”的冲击频率为______ Hz，A点对应的速度为______ m/s。(计算结果均保留两位有效数字) 左 40 1.5 ①重锤自由下落，速度越来越大，纸带点迹间的距离越来越大，所以纸带的左端连接重锤； (2)该次实验产生误差的原因有 A．纸带与限位孔间有摩擦力 B．测量各点间的距离不精确 C．“枪头”打点瞬间阻碍纸带的运动 其中最主要的原因是________(选填“A”“B”或“C”)。 C (2)该次实验产生误差的最主要的原因是“枪头”打点瞬间阻碍纸带的运动，故A、B错误，C正确。 三 达标检测 巩固提高 2 3 4 5 1 1．(2023·四川绵阳南山中学诊断)在“探究小车速度随时间变化规律”的实验中，某同学得到一条用电火花计时器打下的纸带如图(a)所示，并在其上取了A、B、C、D、E、F、G七个计数点，每打5次点记为一个计数点，已知电火花计时器的频率为50 Hz。 2 3 4 5 1 他经过测量并计算得到电火花计时器在打B、C、D、E、F各点时物体的瞬时速度如表格所示，以A点对应的时刻为t＝0，试在图(b)所示坐标系中作出v－t图像，并利用该图像求出物体的加速度大小a＝________m/s2，打A点时纸带速度大小为________m/s。(结果均保留三位有效数字) 答案：图见解析　　 对应点 B C D E F 速度(m/s) 0.141 0.180 0.218 0.262 0.301 0.400 0.100 2 3 4 5 1 作v－t图像如下。 2 3 4 5 1 2．(2023·全国甲卷)某同学利用如图(a)所示的实验装置探究物体做直线运动时平均速度与时间的关系。让小车左端和纸带相连，右端用细绳跨过定滑轮和钩码相连。钩码下落，带动小车运动，打点计时器打出纸带。某次实验得到的纸带和相关数据如图(b)所示。 2 3 4 5 1 24.00 80.0 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 (2)如图甲所示。 2 3 4 5 1 71.5(70.0～73.0均得分) 59.0(58.2～59.8均得分) 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 (4)根据(3)中的直线方程可以判定小车做匀加速直线运动，得到打出A点时小车的速度大小vA＝________，小车的加速度大小a＝________。(结果用字母k、b表示) b 2k 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 3．(2022·江苏卷)小明利用手机测量当地的重力加速度，实验场景如图1所示，他将一根木条平放在楼梯台阶边缘，小球放置在木条上，打开手机的“声学秒表”软件，用钢尺水平击打木条使其转开后，小球下落撞击地面，手机接收到钢尺的击打声开始计时，接收到小球落地的撞击声停止计时，记录下击打声与撞击声的时间间隔t，多次测量不同台阶距离地面的高度h及对应的时间间隔t。 2 3 4 5 1 (1)现有以下材质的小球，实验中应当选用________。 A.钢球　　 B．乒乓球　　　C．橡胶球 (1)为了减小空气阻力等误差影响，应该选用材质密度较大的钢球，故选A。 A 2 3 4 5 1 (2)用分度值为1 mm的刻度尺测量某级台阶的高度h，示数如图2所示，则h＝________cm。 (2)刻度尺的分度值为1 mm，估读到分度值的下一位，由题图2可知h＝61.20 cm。 61.20 2 3 4 5 1 (3)作出2h－t2图线，如图3所示，则可得到重力加速度g＝________m/s2(结果保留三位有效数字)。 9.55 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 (4)在图1中，将手机放在木条与地面间的中点附近进行测量，若将手机放在地面A点，设声速为v，考虑击打声的传播时间，则小球下落时间可 表示为t′＝________(用h、t和v表示)。 2 3 4 5 1 (5)有同学认为，小明在实验中未考虑木条厚度，用图像法计算的重力加速度g必然有偏差。请判断该观点是否正确，简要说明理由____________________________________________________________ ____________。 不正确，考虑木条厚度后图像的斜率不变，重力加速度的测量值不受影响 2 3 4 5 1 4．(2023·山东菏泽二模)某学习小组了解到交通警察会在高速公路上用激光测速仪随机测速，受此启发，该小组同学用激光测距仪测量某汽车在某时段的运动规律。表格中是测得汽车在平直公路上的位置信息，其中x为汽车到测距点的距离(测距点位于汽车的正前方)。 t/s 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 x/m 13.98 10.81 7.98 5.48 3.32 1.49 0.01 2 3 4 5 1 (1)根据表中的数据可以推断该车在这段时间内的运动性质是________________，依据是_____________________________________ ______________________。 匀减速直线运动 在误差允许范围内，相邻0.2 s内的位移之差接近Δx＝0.34 m 2 3 4 5 1 (1)根据表中的数据可以推断该车在这段时间内的运动性质是匀减速直线运动。 第1个0.2 s内的位移为3.17 m，第2个0.2 s内的位移为2.83 m，第3个0.2 s内的位移为2.50 m，第4个0.2 s内的位移为2.16 m，第5个0.2 s内的位移为1.83 m，第6个0.2 s内的位移为1.48 m，则相邻0.2 s内的位移之差接近Δx＝0.34 m，可判断该车在这段时间内做匀减速直线运动。 2 3 4 5 1 (2)当x＝5.48 m时，该车的速度大小是______m/s。 11.65 2 3 4 5 1 (3)这段时间内该车的加速度大小是________m/s2(结果保留两位有效数字)。 8.4 2 3 4 5 1 5．(2023·陕西西安模拟)某同学在做“研究匀变速直线运动”的实验中，由打点计时器得到表示小车运动过程的一条清晰纸带，纸带的一部分如图1所示，纸带上两相邻计数点的时间间隔为T＝0.10 s。该同学将纸带从每个计数点处截断，得到6条短纸带，再把6条短纸带的下端对齐贴在纸上，以纸带下端为横轴建立直角坐标系，并将刻度尺边缘紧靠纵轴，其示数如图2所示。(计算结果均保留两位有效数字) 2 3 4 5 1 (1)打下计数点“5”时小车的速度大小为______m/s。 0.68 2 3 4 5 1 (2)小车的加速度大小为___________m/s2。 0.70 2 3 4 5 1 (3)在某次实验中，若该同学所用交流电的频率大于50 Hz，则加速度的测量值__________(选填“>”“＝”或“<”)真实值。 (3)若该同学所用交流电的频率大于50 Hz，则实际周期较小，求得加速度的测量值小于真实值。 < $$