2.1 实验：探究小车速度随时间变化的规律 课件- 2026-2027学年高一上学期人教版物理必修第一册

该高中物理课件聚焦“探究小车速度随时间变化的规律”实验，围绕匀变速直线运动，通过实验操作连接前期运动学概念，引导学生经历纸带数据测量、v-t图像绘制过程，构建从实验到规律的学习支架，为加速度计算等后续内容奠定基础。 其亮点是以科学探究为主线，融合物理观念与科学思维。通过详细实验步骤、误差分析及创新案例（如光电门测速度、纸带拼接法），引导学生掌握数据处理（如平均速度代瞬时速度、图像斜率求加速度），培养实验操作与分析能力。学生能提升探究素养，教师可获得系统教学资源，助力高效教学。

1　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 [定位·学习目标]　 1.经历实验探究过程,进一步形成匀变速直线运动的物理观念。2.通过学习纸带数据处理,体会数学在研究物理问题中的作用,掌握科学思维的方法。3.通过实验的操作和数据分析,认识实验对物理学发展的推动作用,培养科学态度及责任。 探究·必备知识 一、实验原理 1.瞬时速度的计算:各计数点的瞬时速度可用该点前后一段时间内的平均速度来代替。 2.根据v-t图像判断运动性质:用描点法可作出小车的v-t图像,根据图像的形状可判断小车的运动性质。 3.加速度的计算:利用v-t图像的斜率求出小车的加速度。 二、实验器材 打点计时器、交流电源、纸带、一端带有滑轮的长木板、小车、细绳、槽码、刻度尺、坐标纸。 三、实验步骤 1.如图所示,把一端带有滑轮的长木板平放在实验桌上,并使滑轮伸出桌面,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,把纸带穿过打点计时器,并把纸带的另一端固定在小车的后面。 3.把小车停在靠近打点计时器的位置,细绳下面挂上槽码。 4.先接通计时器电源,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行小点,随后,立即关闭电源。 5.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。 6.整理好实验器材。 四、数据处理 1.测量并记录数据 (1)选择一条比较理想的纸带,舍掉开头一些过于密集的点,找一个适当的点当作计时起点(0点),可选择每5个点(相隔0.1 s)取一个计数点进行测量,如图所示(相邻两计数点间还有四个点未画出)。标明0、1、2、3、…,测量各计数点到0点的距离X1、X2、X3、…。 位置编号 0 1 2 3 4 5 6 … 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) — … — (2)分别计算出相邻的两计数点之间的距离x1、x2、x3、…。 (4)同理,计算增减槽码后两次实验的速度,分别填入表格中标有“v2”和“v3”的两行。 2.作v-t图像 (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,发现这些点大体在一条直线上。 (2)过这些点拟画一条直线,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,分析小车的速度随时间变化的规律。 五、误差分析 内容 产生原因 减小方法 偶然 误差 根据纸带测量的位移有误差 测量各计数点到起始点的距离,而不是直接测量相邻两计数点间的距离 描点作图不准确 坐标轴的单位长度选取合适,使图像大致布满坐标纸 系统 误差 长木板的粗糙程度不完全相同 尽量选用粗糙程度均匀的长木板 六、注意事项 1.开始释放小车时,应使小车靠近打点计时器。 2.先接通电源,打点计时器正常工作后,再释放小车,打点完成后应立即关闭电源;为防止槽码落地及小车跟滑轮相撞,当小车到达滑轮前及时用手按住。 3.牵引小车的槽码个数要适当,使小车的速度不宜过大或过小,以能在50 cm长的纸带上清楚地取得六七个计数点为宜。 4.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。 突破·关键能力 要点一　实验原理与操作 [例1] (2025·浙江期中)用打点计时器、平板、小车等器材做研究匀变速直线运动的实验。 (1)如图,穿入打点计时器限位孔的纸带,正确的是　　　(选填“甲”或“乙”)。 甲 【解析】 (1)穿入打点计时器限位孔的纸带,对于电火花计时器,应该墨粉纸盘在上,纸带在下;对于电磁打点计时器,应该复写纸在上,纸带在下。故选甲。 (2)图丙是学生即将释放小车之前的装置图及操作,存在的错误是　　　　。(多选)  A.细线与木板不平行 B.打点计时器接的是直流电源 C.小车释放的位置离打点计时器较远 D.无论什么计时器,使用时均要先接通电源,后释放纸带 ABC 【解析】 (2)为给小车提供一个恒定的拉力,细线应与木板平行,故A操作错误;打点计时器应使用交流电源,故B操作错误;小车释放前应靠近打点计时器,故C操作错误;无论什么计时器,使用时均要先接通电源,后释放纸带,故D操作正确。 (3)下列实验步骤的正确顺序是　　　　(填字母)。  A.关闭电源,取下纸带 B.将小车停靠在打点计时器附近,小车尾部与纸带相连 C.把打点计时器固定在平板上,让纸带穿过限位孔 D.接通电源后,放开小车 CBDA 【解析】 (3)本实验步骤的正确顺序是先把打点计时器固定在平板上,让纸带穿过限位孔;再将小车停靠在打点计时器附近,小车尾部与纸带相连;然后,接通电源,放开小车;最后,关闭电源,取下纸带,因此本实验步骤的正确顺序是CBDA。 (4)本实验中,算出打下各计数点时小车的瞬时速度后,为了计算加速度,下列较合理的方法是　　　　。(填字母)  A.根据任意两计数点的速度用公式算出加速度 B.画出v-t图像,量出其倾角α,由公式a=tan α算出加速度 C 要点二　数据处理与分析 [例2] 某同学在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中,用打点计时器记录了由静止释放被小车拖动的纸带的运动情况,在纸带上确定出A、B、C、D、E共5个计数点,相邻点间的距离如图甲所示,每两个相邻的计数点之间还有4个计时点未画出,电源频率为50 Hz。 (1)实验时纸带的　　　　(选填“左”或“右”)端是和小车相连的。  左 【解析】 (1)由于小车由静止释放,做加速运动,则纸带左端与小车相连。 (2)根据图甲纸带上的数据,算出打D点时小车的瞬时速度大小,并将结果填入下表中。(结果保留3位有效数字) 计数点 B C D 速度v/(m·s-1) 0.260 0.300 　   0.340 (3)以A点为计时起点,将B、C、D各点对应的瞬时速度标在平面直角坐标系中,并画出图线如图乙所示。由图可得小车的加速度大小为　　　 m/s2 (结果保留2位有效数字),图中图线与纵轴的交点的物理意义是 　 。  0.40 打A点时 小车的瞬时速度大小 要点三　实验拓展与创新 [例3] (实验原理的创新)为了测定气垫导轨上滑块的加速度,滑块上安装了宽度为d=2.0 cm的遮光条。滑块在牵引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=0.20 s,通过第二个光电门的时间Δt2=0.05 s,遮光条从开始遮住第一个光电门到开始遮住第二个光电门的时间为t=2.5 s。遮光条通过第一个光电门的速度v1=　　　　 m/s,通过第二个光电门的速度v2=　　　　 m/s;滑块的加速度a=　　　 m/s2。  0.10　 0.40　 0.12 [例4] (创新设计实验)做变速运动的小车,牵引一条纸带通过打点计时器,交流电源的频率是50 Hz。由纸带上打出的某一点开始,每5个点剪下一段纸带,按如图所示,每一段纸带的一端与x轴相重合,左边与y轴平行,将纸带贴在坐标系中。 (1)本实验中运动的小车,相邻相等时间内位移存在某种关系,请仔细研究图像,找出这一关系。 【答案】 (1)在实验误差允许的范围内,小车在相邻相等时间内的位移之差都是相等的 【解析】 (1)题图横坐标中的1、2、3、4、5、6分别表示连续相等时间T=0.1 s内的6段纸带,而纵坐标表示这6段纸带的位移大小,分别设为x1、x2、…、x6。仔细观察可得x2-x1=8 mm,x3-x2=7 mm,x4-x3=8 mm,x5-x4= 8 mm,x6-x5=8 mm,可见在实验误差允许的范围内,小车在相邻相等时间内的位移之差都是相等的。 (2)设Δt=0.1 s,请作出小车的v-t图像。 (3)根据图像求出其加速度大小。 【解析】 (3)由v-t图像可知,其加速度大小等于直线的斜率大小,约为0.80 m/s2。 【答案】 (3)0.80 m/s2 感谢观看 (3)各计数点对应的瞬时速度用很短时间内的平均速度来代替,一般用vn=计算。将求得的各计数点1、2、3、4、5、6、…的瞬时速度填入表格中标有“v1”的一行。 (4)根据v-t图像求出小车运动的加速度a=。 C.画出v-t图像,由图线上相距较远的两点所对应的速度、时间,用公式a=算出加速度 D.依次算出连续两点间的加速度,算出平均值作为小车的加速度 【解析】 (4)在处理实验数据时,如果只使用其中两个数据,由于偶然误差的存在可能会造成最后误差较大,故A错误;由于v-t图像中,纵坐标和横坐标所取的标度不一致,图像的斜率与图线倾角的正切不相等,因此不能用公式a=tan α求解加速度,故B错误;根据实验数据画出v-t图像,考虑到误差,所有点很难都整齐地排成一条直线,连线时,应该尽量使那些不能落在线上的点均匀地分布在线的两侧,这样图线上会舍弃误差较大的点,由图线上两点所对应的速度及时间,用公式a=算出加速度,误差小,故C正确;若依次算出通过连续两计数点间的加速度,算出平均值作为小车的加速度,则实际应用的只是第一组和最后一组数据,同样存在较大的误差,故D错误。 【解析】 (2)纸带上每两个相邻的计数点之间还有4个计时点未画出,电源频率为50 Hz,可知纸带上相邻两计数点间的时间间隔为T=×5 s=0.1 s。 利用纸带计算小车各个时刻的瞬时速度,可以在纸带上取包含某点的一小段位移,用这段位移的平均速度表示这点的瞬时速度,“某点”一般为该段位移对应的中间时刻的点,可得vD===0.340 m/s。 【解析】 (3)v-t图像的斜率大小表示加速度大小,则有a==0.40 m/s2;由于A点为计时起点,则图线与纵轴交点为0时刻的瞬时速度大小,即打A点时小车的瞬时速度大小。 【解析】 遮光条经过光电门的时间较短,可用平均速度代替瞬时速度,则遮光条通过第一个光电门的速度v1===0.10 m/s, 通过第二个光电门的速度v2===0.40 m/s, 滑块的加速度a===0.12 m/s2。 【答案及解析】 (2)设想将这6段纸带连接起来,并将每段纸带的上端中点作为计数点的位置,分别为A、B、C、D、E、F, 则A点的速度vA= mm/s=265 mm/s=0.265 m/s。 同理可求得 vB=0.340 m/s,vC=0.415 m/s, vD=0.495 m/s,vE=0.575 m/s。 在v-t图像中描出A、B、C、D、E各点,拟合得到直线,如图所示。 $