1. 实验：探究小车速度随时间变化的规律（培优教学课件）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 第二章 匀变速直线运动的研究 人教版（2019）必修第一册 导入新课 世界上第一条商业运行的磁悬浮列车——“上海磁浮”，已于 2003 年 10 月 1 日正式运营。据报道，上海磁浮线路总长 33 km，一次试车时全程行驶了约 7 min 30 s，其中以 430 km/h 的最高速度行驶约 30 s。磁悬浮列车的行驶速度比汽车快得多，是不是它的加速度也会很大？ 学过这一章后请你根据报纸上的数据，再按照实际情况给出一些简化的假设，自己尝试着估算它的加速度。 导入新课 寻求一种运动的特点和规律，一般要从某个具体事例开始。那么如果我们要研究小车在重物牵引下的运动，看看小车的速度是怎样随时间变化的，我们应该怎样做呢？ 物理观念 1.‌加深概念的理解：通过实验观察和数据处理，加深对瞬时速度、平均速度等概念的理解。 ‌2.初步认识规律：初步形成对 “速度随时间变化规律” 的直观认识，为后续学习匀变速直线运动打下基础。 科学思维 1.数据处理和分析能力：学会运用平均速度法、图像处理实验数据，培养数据处理和分析能力。 2.科学推理能力：通过分析速度 - 时间图像，体会用图像描述物理规律的方法，提升科学推理能力。 学习目标 科学探究 1.‌实验设计与操作：经历 “提出问题→设计实验→操作记录→分析结论” 的完整探究过程，掌握打点计时器的使用等实验技能。 2.‌实验态度和创新意识：能对实验误差进行简单分析（如打点计时器精度、测量误差等），培养严谨的实验态度和创新意识（如改进实验装置以减小误差）。 科学态度 与责任 1.科学习惯：在实验操作中养成规范操作、认真记录的科学习惯，体会合作探究的重要性（如多人配合完成实验）。 2.科学态度：认识到实验是物理学研究的基础，培养尊重事实、基于证据得出结论的科学态度。 学习目标 重点难点 重点 1.进行实验，正确操作，记录数据，正确进行实验操作。 2.分析数据，作出v-t图像，直观反应规律。 难点 1.分析数据，作出v-t图像。 1. 实验思路 2. 进行实验 3. 数据记录 4.数据分析 5. 课堂总结 6. 练习与应用 7. 提升训练 学习内容 第1节 实验：探究小车速度随时间变化的规律 一、实验思路 第1节 实验：探究小车速度随时间变化的规律 一、实验思路 要研究小车在重物牵引下速度随时间的变化规律，你认为如何设计此实验？需要测量那些物理量？选用什么器材，请写出你的方案，并与同学交流。 一、实验思路 要研究小车速度随时间变化的规律，就要想办法测量小车在不同时刻的瞬时速度，而打点计时器具有此功能。如果用打点计时器测量速度，就可以如图所示，把一端带有滑轮的长铝板平放在实验桌上，铝板上放一个可以左右移动的小车，小车一端连接穿过打点计时器的纸带，另一端连接绕过滑轮系有槽码的细绳。小车在槽码的牵引下运动，通过研究纸带上的信息，就可以知道小车运动的速度是怎样随时间变化的。 二、进行实验 第1节 实验：探究小车速度随时间变化的规律 二、进行实验 1.实验仪器 电磁打点计时器(或电火花计时器)、复写纸、导线、一端附有定滑轮的长木板、小车、纸带、细绳、钩码、刻度尺、交流电源。 2.实验步骤 （1）如图所示，把附有定滑轮的长木板放在实验桌上，并使定滑轮伸出桌面，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。 二、进行实验 2.实验步骤 （2）把一条细绳拴在小车上，使细绳跨过滑轮，下边挂上钩码，把纸带穿过打点计时器，并把纸带的一端固定在小车的后面。 （3）把小车停在靠近打点计时器处，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，关闭电源。 （4）换上新的纸带，重复实验两次。 （5）增减所挂钩码的个数，按以上步骤再做两次实验。 二、进行实验 二、进行实验 3.注意事项 （1）固定打点计时器时应让限位孔处在长木板的中央位置；滑轮不能过高,细绳应与木板平行 （2）开始释放小车时，应使小车靠近打点计时器 （3）先接通电源，待打点计时器打点稳定后，再释放小车，当小车停止运动时及时断开电源 （4）实验时要注意保护小车及滑轮，要避免它们被碰坏或跌坏。所以，当小车到达滑轮前及时用手按住它，防止小车从板上掉下来 （5）小车另一端所挂的钩码个数要适当，避免加速度过大而使纸带上打的点太少，或加速度太小使各段位移无法区别，从而使误差增大 （6）打点结束后立即关闭电源 三、数据记录 第1节 实验：探究小车速度随时间变化的规律 三、数据记录 1.从几条纸带中选择一条比较理想的纸带，舍掉开始一些比较密集的点，在后面便于测量的地方找一个点，作为计数始点，以后依次每五个点取一个计数点，并标明0、1、2、3、4…如图所示。 三、数据记录 2.依次测出01、02、03、04…的距离x1、x2、x3、x4…，填入表中。 位置 1 2 3 4 5 6 长度 x1 x2 x3 x4 x5 x6             各段长度 0～2 1～3 2～4 3～5 4～6               时间间隔             v/(m·s－1)             三、数据记录 四、数据分析 第1节 实验：探究小车速度随时间变化的规律 四、数据分析 1.作出小车运动的v－t图象 (1)定标度、描点：坐标轴的标度选取要合理，应使图象大致分布在坐标平面中央。描点时要用平行于两坐标轴的虚线标明该点的位置坐标。(所描的点一般用“·”标明) (2)连线：画一条直线，让这条直线通过尽可能多的点，不在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，分析物体的速度随时间的变化规律。 四、数据分析 t/s 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 v1/ms-1 16.50 21.40 26.30 31.35 36.30 41.25 1.作出小车运动的v－t图象 （1)图线的特点？ (2)小车的运动规律？ (3)如何求加速度？ 【问题】 t/s v/(m.s-1) 舍去！ △v △t 四、数据分析 （1）图线为直线 （2）从图线上可以可以求出每一时刻的速度 （3）从图线上求出加速度，斜率k=△v/△t=a; a不变的直线运动叫做匀加速直线运动 1.作出小车运动的v－t图象 【分析】 四、数据分析 2.利用计算机软件做v-t 图像 五、课堂总结 第1节 实验：探究小车速度随时间变化的规律 五、课堂总结 实验思路 探究小车速度随时间变化的规律 实验装置 进行实验 数据分析 实验结论 注意事项 槽码牵引小车运动，通过纸带计算分析小车速度的变化情况 安装实验器材，换不同槽码打不同纸带 列表法，图像法 v-t图像为倾斜直线，小车运动的加速度不变 操作步骤注意事项 数据处理注意事项 六、练习与应用 第1节 实验：探究小车速度随时间变化的规律 六、练习与应用 六、练习与应用 六、练习与应用 六、练习与应用 六、练习与应用 六、练习与应用 六、练习与应用 七、提升训练 第1节 实验：探究小车速度随时间变化的规律 七、提升训练 七、提升训练 七、提升训练 七、提升训练 七、提升训练 七、提升训练 七、提升训练 七、提升训练 五、提升训练 3.1、2、3、4…各点的瞬时速度分别为：v1＝、v2＝、v3＝、v4＝…。将计算得出的各点的速度填入表中。 (4)根据表格中的数据，分析速度随时间变化的规律。 1.(1)电火花计时器是使用 电源(直流，交流)的计时仪器，工作的电压是 V， 当电源频率是50Hz时，它每隔 s打一个点。 (2)关于“探究小车速度随时间变化的规律”的实验操作，下列说法正确的是( ) A．打点计时器是一种可以使用直流电源的仪器 B．在释放小车前，小车应远离打点计时器放置 C．应先接通电源，待打点计时器打点稳定后再释放小车 (3)如图所示是用电磁打点计时器测定匀加速直线运动的加速度时得到的一条纸带， 测量出AB=1.2cm， AC=3.6cm， AD=7.2cm， 计数点A、B、C、D中，每相邻两个计数点之间有四个点未画出，则打B点时物体运动的速度vB= m/s 【解析】(1)电火花计时器是使用交流电源的计时仪器，工作的电压是220V， 当电源频率是50Hz时，它每隔0.02s打一个点。 (2)打点计时器是一种使用交流电源的仪器，A错误；在释放小车前，小车应靠近打点计时器放置，B错误；根据实验操作规范性，应该是先接通电源，待打点计时器打点稳定后再释放小车，C正确；故选C。 (3)B点速度等于AC间的平均速度，则 2.某同学利用图示装置研究小车的匀变速直线运动。 (1)电火花打点计时器用的是　　　　　(填交流或直流)电。 (2)打点计时器是测量　　　　　(填时间或位移)的仪器。 (3)他实验时将打点计时器接到频率为50HZ的交流电源上，每隔　　　　　s打一次点，得到一条纸带，打出的部分点如图所示。s1=3.59cm，s2=4.41cm，s3=5.19cm，s4=5.97cm，s5=6.78cm，s6=7.64cm。打点计时器在打B点时小车的速度vB=　　　　　m/s。(保留两位小数) 【解析】(1)电火花计时器用的是交流电； (2)打点计时器是测量时间的仪器； (3)实验时将打点计时器接到频率为50HZ的交流电源上，则打点周期 即每隔0.02s打一次点； 打点计时器在打B点时小车的速度为 3.在“测量做直线运动物体的瞬时速度”实验中，用如图所示实验仪器进行实验。 (1)部分实验步骤如下： A．实验完毕，关闭电源，取出纸带 B．将小车停靠在打点计时器附近，小车尾部与纸带相连 C．接通电源，待打点计时器工作稳定后放开小车 D．把打点计时器固定在平板上，让纸带穿过限位孔 上述实验步骤的正确顺序是：　　　　　　(用字母填写)； (2)某同学得到一条用打点计时器打下的纸带，并在其上取了O、A、B、C、D、E、F共7个计数点(图中每相邻两个计数点间还有四个打点计时器打下的点未画出)。打点计时器接的是50Hz的低压交流电源。他将一把毫米刻度尺放在纸带上，其零刻度和计数点O对齐，从刻度尺上直接读取数据记录在表中。 表中OF的长度为　　　cm； (3)打点计时器打E点时小车速度为vE=　　　m/s(结果保留3位有效数字)；小车的加速度a=　　　m/s2(结果保留2位有效数字)。 【解析】(1)根据实验原理，实验步骤的正确步骤是：DBCA。 (2)根据O、F两点在刻度尺上的位置可读出读数为10.49cm。 (3)E点瞬时速度是DF段的平均速度，根据匀变速直线运动规律和逐差法处理数据 1.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。 (1)已知打出图(b)中相邻两个计数点的时间间隔均为0.1s。以打出A点时小车的位置为初始位置，将打出B、C、D、E、F各点时小车的位移填到表中，小车发生对应位移所用时间和平均速度分别为和。表中 ， 。 位移区间 AB AC AD AE AF 6.60 14.60 34.90 47.30 66.0 73.0 87.3 94.6 (2)根据表中数据，得到小车平均速度随时间的变化关系，如图(c)所示。在图(c)中补全实验点并作出图像 。 (3)从实验结果可知，小车运动的图线可视为一条直线，此直线用方程表示，其中 ， 。(结果均保留3位有效数字) 【解析](1)根据纸带的数据可得 ,平均速度为 (2)根据第(1)小题结果补充表格和补全实验点图像得 (3)此直线用方程表示，由图像可知其中， 2.某探究小组利用打点计时器研究小车的匀变速直线运动，图(a)是实验中得到的一条纸带，是选取的计数点，两相邻计数点间还有四个点没有画出，打点计时器的打点时间间隔。将纸带分别从点处剪开，得到六段纸带，将这六段纸带由短到长按图(b)那样贴在直角坐标系的平面上，彼此不留间隙，也不要重叠，纸带下端都要准确地与横轴重合。 (1)若用横轴表示时间，纸带宽度表示相邻计数点时间间隔，纵轴表示相邻计数点间的距离，设打点时为时刻，则为　　　． A．时的速度 B．时的速度 C．时的速度 (2)若测得，，则小车的加速度约为　　　；(结果保留三位有效数字) (3)若实际电源的频率大于，则测得小车的加速度　　　　(填“偏大”或“偏小”)； (4)某同学若以为纵轴，将各段纸带上端中心点连接起来，得到一条直线，则该图线的斜率表示　　　　． 【解析】(1)两相邻计数点间还有四个点没有画出，打点计时器的打点时间间隔，则相邻计数点时间间隔，其中为BC间距，则为BC间距的平均速度，即BC间距中间时刻的瞬时速度，且中间时刻为 (2)小车的加速度为 若实际所接交流电的频率大于50Hz，则测量时所用的打点周期偏大，测得的加速度偏小。 (3)若用横轴表示时间t，纸带宽度表示相邻计数点时间间隔T，纸带长度依次表示，则纸带长度表示瞬时速度，则斜率为，因此斜率表示纸带运动的加速度。 3.在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，打点计时器接在50 Hz的低压交变电源上，某同学在打出的纸带上每5个点取一个计数点，共取了A、B、C、D、E、F六个计数点(每相邻两个计数点间的四个点未画出)，如图甲所示．从每一个计数点处将纸带剪开分成五段(分别为a、b、c、d、e段)，将这五段纸带由短到长紧靠但不重叠地粘在xOy坐标系中，如图乙所示，由此可以得到一条表示v－t关系的图线，从而求出加速度的大小． (1)请你在图乙xOy坐标系中用最简洁的方法作出能表示v－t关系的图线，其中________(填“x”或“y”)轴相当于v轴，________(填“x”或“y”)轴相当于t轴． (2)从第一个计数点开始计时，为求出0.15 s时刻的瞬时速度，需要测出______段纸带的长度． (3)若测得a段纸带的长度为2.0 cm，e段纸带的长度为10.0 cm，则可求出加速度的大小为________ m/s2. 【解析】(1)分别取a、b、c、d、e五段的上方中点，并连线，则得到能表示v－t关系的图线，如图所示：y轴相当于v轴；x轴相当于t轴； (2)t＝0.15 s是BC段的中间时刻，要求t＝0.15 s时的瞬时速度，只需要测出b段纸带的长度xb，然后用＝求得的平均速度即可认为是t＝0.15 s时刻的瞬时速度； (3)a、e段各自中间时刻的速度分别为va＝＝＝0.2 m/s， ve＝＝＝1.0 m/s 根据a＝得a＝＝ m/s2＝2 m/s2. $$