高中物理鲁科版 (2019)必修 第一册第4节 科学测量:做直线运动物体的瞬时速度教案

科学测量：做直线运动物体的瞬时速度

【教材分析】

本节课选自鲁科版必修一第二章第四节，本节是在学习了运动的描述基础上，用实验的方法，让学生经历探究过程，学会数据处理的方法。本节课的核心是引导学生研究小车在运动过程中速度随时间变化的规律，重视知识的获取过程，培养学生处理数据、总结规律的能力。

【教学目标与核心素养】

【物理观念】能理解打点计时器的工作原理；能对得到的数据进行处理，得到物体运动的速度和加速度。

【科学思维】能根据实验目的和【实验器材】设计实验。

【科学探究】能发现并提出物理问题；能分析纸带分析小车的运动。

【科学态度与责任】知道实验器材的改进能促进人们认知的发展；知道物理实验的探究需要实事求是。

【教学重难点】

教学重点：图像法研究速度随时间变化的规律；对运动物体的速度随时间变化规律的探究。

教学难点：对各点瞬时速度的计算；根据纸带判断物体的运动情况。

【教学过程】

【导入新课】

问题：如何测量小车在运动过程中的时间和位移？

生：测量时间可用计时工具：秒表、手机……

测量位移可用长度测量工具：刻度尺、米尺……

问题：这些测量工具在测量结果可靠性上如何？

生：误差大

要想获得精确度更高的测量数据，需要使用一种仪器“打点计时器”。引出新课。

【新课讲授】

一、运动时间和位移的记录

在实验中，我们可使用秒表和刻度尺直接测量物体运动的时间和位移，但当物体运动较快时，采用以上方法得到的测量值误差较大。在中学物理实验中，常用打点计时器来测量物体运动的时间和位移等信息。

1．介绍打点计时器的工作原理。

观察纸带并结合打点计时器的工作原理，思考：从纸带上可以获得哪些运动信息？

生：（1）时间：任意相邻两点对应间隔的时间均为0.02s

（2）位移：相邻两点之间的间距可用刻度尺测量

2．思考比较两种打点计时器的共同点与区别

相同点：打点频率相同

不同点：①打点方式不同电磁打点计时器：利用振动的振针打点；电火花计时器：利用火花放电打点

②电源电压不同电磁打点计时器：10V以下交流电；电火花计时器：220V交流电

③振针打点时与纸带接触，会对纸带产生阻碍作用；而火花放电基本不会阻碍纸带的运动

3．评价练习——迷你实验室

为了解某同学竞走的加速过程，老师让他拿着底部穿孔、滴水比较均匀的饮料瓶竞走，然后通过留在地上的水印分析他的速度变化情况。请大家试一试，并说明其中的道理。

此实验模拟打点计时器，加深巩固学生对打点计时器工作原理的理解和应用。

4．频闪照相

除打点计时器外，人们还用频闪照相技术来记录物体运动的时间和位移。

介绍频闪照相技术的工作原理。

结论：频闪照相与打点计时器均能记录物体运动的时间和位移信息。

二、测量小车的瞬时速度

1．实验目的

（1）测量小车的瞬时速度。

（2）判断沿斜面下滑的小车是否做匀变速直线运动。

（3）学习使用打点计时器。

2．【实验器材】

电磁打点计时器（或电火花打点计时器）、低压交流电源（或220V交流电源）、纸带、长木板（或轨道）、U形夹、小车、毫米刻度尺。

3．实验原理与设计

实验原理：

（1）电磁打点计时器的测量原理：纸带穿过打点计时器在物体带动下运动时，上下振动的振针便会通过复写纸在纸带上留下一系列小点，相邻两点对应的时间为_________s。

（2）可测物理量：相邻两点之间的距离可以用_______测量，这样打点计时器既记录了时间，又记录了对应的_________。由此可获知物体运动的_________等。

①明确计时点与计数点

计时点：在纸带上，选取便于测量的某点作为计时的起点，如可以用纸带上打出的原始点为计时点。

计数点：由于纸带被打出的原始点过于密集，测出的间距误差较大，为便于测量和计算，我们另选间距较大且时间间隔相等的计时点来研究，这样的点叫做计数点。

思考：如何选择计数点？

舍去开头密集的点，选取便于测量的某点作为计时的起点，记为点0，依次向后每5个点选取一个计数点，分别记为1，2，3…相邻两个计数点间隔的时间T=0.1s。

②用刻度尺量出相邻两计数点间的长度，分别记为s1，s2，s3．。。

思考：如何根据求纸带上某点的瞬时速度？

师：极限法。用较短时间间隔内的平均速度可近似视为瞬时速度。

思考：是不是时间间隔越短，计算出的瞬时速度就越准确？

以求E点的速度为例，让学生体会如何更精确的求某点的瞬时速度。

思考：哪种方案能更准确的获得E点的瞬时速度？请说明理由

方案一：

方案二：

方案三：

通过该问题，让学生体会到，在实际实验中计算瞬时速度时，并不是选取的计数点的时间间隔越小，得到的瞬时速度误差就越小。

4．实验步骤

（1）把打点计时器固定在长木板一端，并将该端垫高，使长木板形成斜面。

（2）将长60cm左右的纸带一端穿过打点计时器，另一端固定于小车，尽量让小车靠近打点计时器。

（3）先打开打点计时器开关，稍后（打点稳定后）释放小车，待小车滑倒斜面底端时止住小车，关闭开关。取下纸带，检查点迹。若有问题，可换上新纸带，调试后重复上述步骤。

（4）选择点迹清晰的纸带，避开点迹密集部分，从距打点的开始端几厘米处选择一个点记为点0.在该点后面，依次标出间隔时间相等的计数点1，2，3，4，5。

（5）根据打点计时器的周期，计算各计数点到点0对应的时间t，测量各计数点与下一相邻计数点的间距s，将t和s的相应数据填入表2-2中。

5．注意事项

（1）固定打点计时器时，应注意使两限位孔和小车运动轨迹在同一直线上。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）实验中“接通电源”和“释放小车”两步应先接通电源，打点稳定后释放小车；打点结束后立即关闭电源，再将纸带取下。

（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。

6．数据处理

（1）列表法

①根据纸带数据计算填入表格并说明小车的速度如何变化？

小车的瞬时速度随时间增大而增大

【猜想】小车是做匀加速直线运动吗？用什么方法来验证？

如图所示，0、1．2……为时间间隔相等的各计数点，S1．S2．S3……为相邻两计数点之间的距离，若△S=S2－S1=……=C（常数），即若两连续相等的时间间隔里的位移之差为恒量，则与纸带相连的物体的运动为匀变速运动。

思考：如何根据纸带求小车的加速度？

△S=

思考：下列两种求纸带加速度的方法，哪种好？

A．

；；；；

B．

===

==

通过这两种方法引出“逐差法”求加速度，并体会其较一般方法的优点-----提高了实验数据的利用率，减小了偶然误差。

（2）图像法

1．选择表格数据选择合适标度建立坐标系（让图象尽量分布在坐标系平面的大部分范围内）

2．描点

3．连线拟合。用直线拟合，让尽可能多的点处在直线上，不在直线上的点应对称地分布在直线两侧。

问题1．图像具有什么特点？一条倾斜的直线。

问题2．小车的运动特点？速度随时间均匀变化，小车做匀加速直线运动。

问题3．如何根据图像求小车的加速度？

7．误差分析

【思考·讨论】

（1）实验结束后，如何选取纸带？

（2）如何根据纸带判断物体是匀速运动，还是匀变速直线运动？

三、课堂检测

1．本实验中，关于计数点间时间间隔的下列说法中正确的有（  ）

A．每隔四个点取一个计数点，则计数点问的时间间隔为0.10秒

B．每隔四个点取一个计数点，则计数点间的时间间隔是0.08秒

C．每隔五个点取一个计数点，则计数点问的时间间隔为0.08秒

D．每隔五个点取一个计数点，则计数点间的时间间隔为0.10秒

2．在用打点计时器（电源频率为50Hz）研究物体做初速度为零的直线运动的某次实验中，纸带的记录如图所示，图中前几个点模糊，因此从A点开始每5个点取一个计数点，求AE段与BD段的平均速度。

3．如图甲所示，桌面水平，用手轻推一下小车，使小车做匀减速运动。小车运动过程中，如图乙记录了桌面上连续6个水滴的位置。（已知滴水计时器每30s内共滴下46个小水滴）设计实验方案，探究小车做什么运动，A点的速度是多大，加速度多大。