2.1 实验： 探究小车速度随时间变化的规律 课件-2024-2025学年高一上学期物理人教版（2019）必修第一册

第1节 实验：探究小车速度随时间变化的规律 第2章 匀变速直线运动的研究 高中物理人教版（2019）必修第一册 在生活中，人们跳远助跑、水中嬉戏、驾车行驶、短道速滑. 在自然界里，物体下落、鸽子飞翔、猎豹捕食、蜗牛爬行、蚂蚁搬家…… 这些运动中都有速度的变化． 物体的速度变化存在规律吗？ 怎样探索速度随时间变化的规律呢？ 观察与思考 一、实验思路 1.实验目的： 2.实验方案： 观察与思考 让小车在木板上在重物的牵引下运动 槽码牵引小车在长木板上运动 探究小车速度随时间变化的规律. 观察与思考 需要测量小车运动不同时刻的速度 测量位移和时间 刻度尺测量位移 由纸带直接读出时间 小车拖动纸带运动，打点计时器打出点迹 二、实验器材 槽码 小车 细绳 纸带 打点计时器 一端附有定滑轮的长木板 其他： 复写纸 导线 刻度尺 学生电源 三、进行实验 1.在长木板上固定打点计时器，并使滑轮伸出桌面，连接电路.让小车停在靠近打点计时器的位置，安装好纸带，连接细绳和槽码. 2.先启动打点计时器，后释放小车，打点完成后关闭电源，观察纸带的点迹是否清晰. 3.增减所挂的槽码(或在小车上放置重物)，更换纸带，再做两次实验. 4.实验获得的纸带 视频演示 四、数据分析 1.数据记录 选取纸带、确定计数点并进行测量 (1)在三条纸带中选择一条最清晰的纸带. (2)为了便于测量，一般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0. (3)每5个点(相隔0.1 s)取1个计数点进行测量. (如下图，相邻两点中间有4个点未画出). 0.10s 0.10s 舍掉过于密集/不清晰的点 (4)根据前面所选的计数点直接测量各计数点到0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. 减小测量误差 x1 x2 x3 x4 x5 Δx1 Δx2 Δx3 Δx4 Δx5 2.数据处理 求解并记录各计数点的瞬时速度 (1)取该计数点相邻两计数点，算出此段的平均速度，该点的瞬时速度近似等于此段的平均速度( 注意估读、单位以及有效数字). 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)把各计数点的瞬时速度，填入表中标有“v1”的一行.同理，计算增减槽码后两次实验的速度，分别填入表中标有“v2”和“v3”的两行内. 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 v1/(m·s-1) v2/(m·s-1) v3/(m·s-1) ... 3.数据分析 测量示例 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 v1/(m·s-1) ／ 0.45 0.60 0.74 0.89 1.03 1.19 （1）小车速度随时间的变化有什么规律？ 小车速度逐渐变大，做加速运动 （2）如何形象地看出小车速度随时间的变化的规律？ 可以绘制小车运动的图像来分析 思考与讨论 (1)作出v－t图像 ①在坐标纸上建立坐标系，描出数据点； ②用一条平滑曲线(包括直线) “拟合”这些点，让这条线通过尽可能多的点，不在线上的点均匀分布在曲线两侧，偏差比较大的点忽略不计. v－t图像的数据点基本分布在一条直线上. 0 0.1 0.2 0.3 0.4　0.5 0.6 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 t/s v/(m·s-1) (2)实验结论 0 0.1 0.2 0.3 0.4　0.5 0.6 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 t/s v/(m·s-1) 小车运动的v－t图像是一条倾斜的直线，说明速度随时间均匀增加，它们成“线性关系”，即小车运动的加速度不变. 0 0.1 0.2 0.3 0.4　0.5 0.6 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 t/s v/(m·s-1) (1)以作出的图像为例，你能求出小车运动的加速度吗？ =1.48 m/s (2)那么能不能直接量出直线倾角，然后求其正切值来计算加速度？ 不能，一般情况下两坐标轴标度选取不一致 0.5 s 思考与讨论 五、注意事项 观察与思考 (1)要使纸带、小车、拉线和定滑轮共线，安装打点计时器时应注意什么？ 使打点计时器的限位孔沿长木板的纵轴中心线方向。 (2)为了保证小车的运动距离，开始释放小车的时候，应将小车放在什么位置？ 小车应该靠近打点计时器。 (3)为了使打点计时器工作更稳定并提高纸带的利用率，应如何操作？ 先接通电源，后释放小车。打点完毕，马上关闭电源。 (4)为什么要增减所挂槽码（或在小车上放置重物）重复操作两次？ 探究规律，减小实验偶然性 1.操作实验的过程的注意事项 2.数据处理的注意事项 (1)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. (2)不要分段测量各段距离，应尽可能地一次测量完毕(可统一测量出各计数点到计时起点的距离). (3)在坐标纸上作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. 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　Ι.刻度尺 选出的器材有AEFH，还需要______. C、I 导练 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)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). C 先启动电磁打点 计时器，再放开小车 BECDA 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. 2.某同学在做“探究小车速度随时间变化的规律”实验中，用打点计时器得到表示小车运动过程的一条清晰纸带并使用一把毫米刻度尺测量了各点间距离，如图所示，图中四个数据中不符合正确读数要求的是_____ (填数值).若纸带上两相邻计数点间均有4个点未画出，已知打点计时器所用电源的频率为50 Hz，则B点对应的小车速度大小vB＝_____ m/s，小车运动的加速度大小a＝_____ m/s2.(后两空均保留两位有效数字) 5.4 0.17 0.20 毫米刻度尺测量结果应准确到1 mm，估读到0.1 mm，所以不符合正确读数要求的是5.4. 3.在做“实验：探究小车速度随时间变化的规律”中，算出各计数点小车的瞬时速度如下表： 计数点序号 1 2 3 4 5 6 计数点对应的时刻t/s 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 小车的瞬时速度v/(cm·s－1) 44.0 62.0 81.0 100.0 110.0 168.0 计数点序号 1 2 3 4 5 6 计数点对应的时刻t/s 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 小车的瞬时速度v/(cm·s－1) 44.0 62.0 81.0 100.0 110.0 168.0 为了算出小车的加速度，最好的方法是 A.根据任意两个计数点的速度，用公式算出加速度 B.依次算出连续两个计数点间的加速度，算出平均值作为小车的加速度 C.根据实验数据画出v－t图像，量出其倾角α，由公式a＝tan α算出加速度 D.根据实验数据画出v－t图像，由图像上任意两点所对应的速度，用公式 a＝ 算出加速度 √ 根据任意两个计数点的速度，用公式算出加速度，偶然误差较大，实验误差较大，故A错； 依次算出连续两个计数点间的加速度，算出平均值作为小车的加速度，不能有效的剔除误差较大的点，故B错； 当纵坐标取不同的标度时，图像的倾角就会不同，故C错. 只有利用实验数据画出对应的v－t图像，才可以充分利用测量数据，减少偶然误差，故D正确. 4.在用打点计时器做“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，得到如图甲所示的一条记录小车运动情况的纸带，图中A点作为计时起点，A、B、C、D、E为相邻的计数点，每相邻的两个计数点之间还有4个点没有画出，计时器打点的时间间隔为0.02 s.(计算结果均保留3位有效数字) (1)由图可知，打点计时器打出D点时小车的瞬时速度大小为vD＝____ m/s. 1.95 计时器打点的时间间隔为0.02 s，每相邻的两个计数点之间还有四个点没有画出，故相邻两个计数点的时间间隔为0.1 s； 根据匀变速直线运动中中间时刻的速度等于该过程中的平均速度， (2)在打点计时器打B、C两点时，小车的速度大小分别为vB＝0.69 m/s，vC＝1.32 m/s，请在图乙的坐标系中画出小车的v－t图像. 答案　见解析图 v－t图像如图所示 (3)小车运动的加速度大小为a＝____ m/s2，打点计时器打出A点时小车的瞬时速度大小vA＝_____ m/s. 6.3 0.06 (4)如果当时打点计时器所用交流电的频率是f＝49 Hz，而做实验的同学并不知道，这样测得的加速度结果比实际值偏___(选填“大”或“小”). 大 如果在某次实验中，交流电的频率为49 Hz，那么实际周期大于0.02 s，真实的加速度值会偏小，所以测量的加速度值与实际的加速度值相比是偏大的. 5.为研究小车沿斜面向下运动的规律，把纸带的一端固定在小车上，小车拖动纸带运动时，纸带上打出的点如图所示. (1)某同学用以下方法绘制小车的v－t图像.先把纸带每隔0.1 s剪断，得到若干短纸条.再把这些纸条并排贴在一张纸上，使这些纸条下端对齐，作为时间坐标轴，标出时间.最后将纸条上端中心连起来，于是得到v－t图像.请你按以上办法(用一张薄纸压在图上，复制得到纸带)绘制这个图像. 答案　见解析 演示：先把纸带每隔0.1 s剪断，得到若干短纸条。 v(cm/s) t(s) O 把这些纸条并排贴在一张纸上，使这些纸条下端对齐，作为时间坐标轴，标出时间。最后将纸条上端中心连起来，于是得到图像。 (2)这样做有道理吗？说说你的看法. 答案　见解析 有道理. 因为剪下的纸条长度表示0.1 s时间内位移大小Δx， 由于v∝Δx，所以纸带长度反映了小车运动速度的大小. 六、拓展方案 实验过程中应注重迁移创新能力的培养，用教材中实验的原理、方法和技巧处理新问题，实验方案我们可以进行以下创新： 加速度的获得：靠重物的拉力获得加速度→长木板倾斜靠重力获得加速度. 速度的测量方法：由打点纸带求速度→测定遮光片的宽度d和遮光片通过 光电门的挡光时间Δt，由v＝ 求速度. 可以借助频闪照相法获取物体运动信息；可以用滴水法测量时间. 探究小车速度随时间的变化规律 一、实验思路 二、实验器材 三、进行试验 四、数据分析 五、注意事项 槽码牵引小车在长木板上运动，分析纸带，计算小车不同时刻瞬时速度 图像法：做出小车运动的v－t图像 学生电源、打点计时器、小车 槽码、纸带、一端附有定滑轮的长木板、刻度尺 实验步骤1、2、3、4 操作步骤注意事项 数据分析注意事项 v1＝，v2＝，… B点对应的小车速度vB＝≈0.17 m/s，同理vD≈0.21 m/s， 由加速度定义式a＝得a＝＝0.20 m/s2. 可知vD＝＝ m/s＝1.95 m/s. 由a＝＝，可求得vA＝0.06 m/s. 在v－t图像中，图线的斜率表示加速度，可知a＝＝6.3 m/s2， 这些纸带构成上述所示的直方图.小车运动速度近似认为v＝， $$