2.1实验：探究小车速度随时间变化的规律-高一物理备课必备讲义（人教必修第一册 ）

第二章 匀变速直线运动的研究2.1  实验：探究小车速度随时间变化的规律 课标要求素养要求课标解读1．掌握实验原理及步骤，会处理实验数据，知道实验应注意的事项。2．能分析实验数据，发现总结小车的运动规律，形成结论，能根据v-t图像描述小车的运动规律。3．能撰写实验报告，对科学探究过程与结果进行交流和反思。 1．科学思维：会利用平均速度求解瞬时速度；能根据实验数据求解加速度。2．科学探究：会设计小车速度随时间变化的实验方案，能根据实验数据画出v-t图像，能基于实验数据求出物体运动的加速度。  一、实验原理1．利用纸带计算瞬时速度：以纸带上某点为     取一小段位移，用这段位移的       表示这点的瞬时速度．2．用v－t图像表示小车的运动情况：以速度v为    、时间t为    建立直角坐标系，用描点法画出小车的v－t图像，图线的      表示加速度的大小，如果v－t图像是一条倾斜的直线，说明小车的速度是        的．二、实验器材打点计时器(带导线)、      、纸带、一端带有定滑轮的长铝板、小车、细绳、槽码、     、复写纸、坐标纸．三、进行实验1．如图1所示，把一端带有定滑轮的长铝板平放在实验桌上，并使滑轮伸出桌面．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．图12．把小车停在靠近(选填“靠近”或“远离”)打点计时器的位置．先        ，后       (选填“启动打点计时器”或“放开小车”)，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．3．换上新纸带，并增减所挂槽码(或在小车上放置重物)，再做两次实验．四、数据记录1．采集数据舍掉纸带开头一些       的点，找一个适当的点作为计时起点．可选择相隔0.1 s(或更短)的若干计数点进行测量．如图2所示，先测量出各个计数点到计时起点的距离：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．图22．求解并记录各计数点的瞬时速度(1)各计数点对应的瞬时速度用平均速度来代替，即v1＝，v2＝，…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)设计表格并记录相关数据位置编号0123456…时间t/s00.10.20.30.40.50.6 v1/(m·s－1)        v2/(m·s－1)        v3/(m·s－1)        …         五、数据分析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．2.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3所示．图33．观察所得到的直线，分析物体的速度随时间的变化规律．4．根据所画v－t图像求出小车运动的加速度a＝.六、注意事项1．开始放开小车时，应使小车     (选填“靠近”或“远离”)打点计时器．2．先          ，等打点稳定后，再         (选填“启动打点计时器”或“放开小车”)．3．打点完毕，立即关闭电源．4．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．5．不要分段测量各段距离，应尽可能地一次测量完毕(可统一量出各计数点到计时起点的距离)．6．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．探究点01  实验原理和操作【探究应用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________．(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)．【迁移应用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　I．刻度尺选出的器材有AEFH，还需要________。(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)。探究点02  数据处理和结论1．图像法由多组数据描绘出v－t图像，v－t图像中直线的斜率即为物体运动的加速度。此法有利于减小偶然误差，并能剔除误差较大的数据。2．平均值法a1＝，a2＝，a3＝，…，an＝。求加速度的平均值＝＝＝。从结果看，真正参与运算的只有v1和vn＋1，中间各点的瞬时速度在运算中都未起作用，故一般不用此方法。【探究应用2】某同学在做“探究小车速度随时间变化的规律”实验时,由打点计时器得到表示小车运动过程的一条清晰纸带并用一把毫米刻度尺测量了各计数点间的距离,如图所示,则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交变电源的频率为50 Hz,则D点对应的小车速度vD=　　　　m/s,小车运动的加速度大小a=　　　　m/s2。(计算结果均保留2位小数) 【迁移应用2】在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，打点计时器使用的交变电源的频率为50 Hz，记录小车运动的一段纸带如图所示，在纸带上选取A、B、C、D、E、F六个计数点，相邻两计数点之间还有四个点未画出． (1)由纸带提供的数据求出打下C、E两点时小车的速度，填入下表：计数点序号BCDE计数点对应的时刻t/s00.10.20.3打下计数点时小车的速度v/(m·s－1)0.25 0.45  (2)根据上表中的数据，在图中作出小车运动的v－t图线，分析可知小车速度随时间变化的规律为________________． (3)根据作出的v－t图线可得小车运动的加速度为________ m/s2.(结果保留两位有效数字)探究点03  实验拓展与创新【探究应用3】光电计时器是一种常用计时仪器,其结构如图甲所示,a、b分别是光电门的激光发射和接收装置,当有物体从a、b间通过时,光电计时器就可以显示出物体的挡光时间。现有某滑块在斜面上滑行,先后通过光电门1和2,计时器显示的挡光时间分别是t1=5×10-2 s、t2=3×10-2 s,从光电门1到光电门2所经历的总时间t=0.15 s,用分度值为1 mm的刻度尺测量滑块的长度d,示数如图乙所示。(1)读出滑块的长度d为　　　　cm。 (2)滑块先后通过两光电门的速度v1、v2分别为　　　　m/s、　　　　m/s。深度解析 (3)滑块的加速度大小为　　　　m/s2。(计算结果保留两位小数) 5.如图所示是小球沿斜面滚下的频闪照片,照片中每两个相邻位置的时间间隔是0.1 s,这样便记录了小球运动的时间。设开始时的位置为0,依次为位置1、2、3、4、5、…,小球运动的位移可以用刻度尺测量。小球在位置1、2、3、4的速度分别最接近　　　　m/s、　　　　m/s、　　　　m/s、　　　　m/s,小球滚下过程的加速度大小为　　　　m/s2。(小数点后保留两位数字)   【迁移应用3】某同学在玩具赛车的赛车场看赛车比赛时，用相机连拍功能对经过的某玩具赛车进行了连拍，然后他把连拍后的照片对应赛道位置排列好，排列好的位置关系如图所示．已知该照相机的连拍频率是每秒10张，照片与实物的比例为1∶10.为了判断该赛车的运动情况，该同学对整理好的照片进行了研究．请根据图中数据回答下列问题： (1)该照相机连拍时，其拍摄周期为T＝________ s.(2)图中从左向右玩具赛车在第二个位置的速度v2＝________ m/s，赛车在第五个位置的速度v5＝________ m/s.(3)该玩具赛车在连拍时间内的平均加速度a＝____ m/s2.学业合格练1. 图甲(图中长木板水平固定)是高中物理常用的力学实验装置，现用该装置完成“探究小车速度随时间变化的规律”。(1)图乙中的实验照片是否有实验错误、不合理或不必要之处？若存在问题，请指明问题所在。_______________________________________________________________________________________________________________________________。(2)下列措施有助于减小实验误差的是__________。A．选用输出电压稳定性更佳的恒定电源B．选用输出电压变化周期更稳定的交流电源C．调节滑轮高度，使拉线与长木板平行D．实验中满足槽码质量m远小于小车的质量ME．实验前先平衡小车与木板间的摩擦力2. 某同学在用打点计时器研究匀变速直线运动规律的实验中利用如甲图所示装置打出的纸带如乙图所示，在纸带上确定出A、B、C、D、E、F、G共7个计数点，其相邻点间的距离如图乙所示：(1)打点计时器使用________(选填“交流”或“直流”)电源，电源的频率是50 Hz，每相邻两个计数点之间有四个点未画出，则每两个相邻的计数点之间的时间间隔为________s。(2)计算出打下C点时小车的瞬时速度vC＝________m/s。(保留3位有效数字)(3)这位同学由另一条纸带计算出所得纸带上各计数点对应的速度后，在坐标系中描出的点如图丙所示，请根据这些点在图丙中作出v－t图像，并根据图像计算出小车运动的加速度a＝________m/s2(保留3位有效数字)。3. 为了测定气垫导轨上滑块的加速度大小，在滑块上安装了宽度为3.0 cm的遮光板，如图所示，滑块在牵引力作用下先后加速通过两个光电门，配套的数字毫秒计记录了遮光板通过第一个光电门的时间为Δt1＝0.30 s，通过第二个光电门的时间为Δt2＝0.10 s，遮光板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间隔为Δt＝3.0 s，则滑块的加速度为多大？4. 如图所示，气垫导轨上滑块经过光电门时，其上的遮光条将光遮住，电子计时器可自动记录遮光时间 ，测量遮光条的宽度为 ，用近似代表滑块通过光电门时的瞬时速度大小，为使更接近瞬时速度大小，正确的措施是（　　）A．使滑块的释放点更靠近光电门 B．换用宽度更宽的遮光条C．换用宽度更窄的遮光条 D．遮光条宽窄根本不会影响实验5. “DIS”实验即“数字化信息系统”实验，以下四幅照片中“用DIS测变速直线运动瞬时速度”的实验装置图是___________；“用DIS测定加速度”的实验装置图是___________。（选填照片下对应的字母）6. 电磁打点计时器和电火花计时器都是使用___________电源的计时仪器（“直流”“交流”），电磁打点计时器工作的电压是___________。当电源频率是50Hz时，它每隔0.02s打一个点。如图为物体运动时打点计时器打出的一条纸带，图中相邻的点间还有四个点，已知打点计时器接交流50Hz的电源，则ae段的平均速度为___________m/s，d点的瞬时速度约为___________m/s。（结果保留2位有效数字）7. （1）打点计时器接________（选填“交流”或“直流”）电源，当频率是50Hz时，打点计时器每隔________秒打一个点。（2）电磁打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器，根据打点计时器打出的纸带，我们可以从纸带上直接得到的物理量是_______A．时间间隔　　B．位移　　C．平均速度　　D．瞬时速度（3）关于打点计时器的使用说法正确的是_______A．电磁打点计时器使用的是36V以下的直流电源B．在测量物体速度时，先让物体运动，后接通打点计时器的电源C．使用的电源频率越高，打点的时间间隔就越小D．纸带上打的点越密，说明物体运动的越快（4）在“练习使用打点计时器”的实验中，某同学选出了一条清晰的纸带，如图所示，是小车拖动纸带用打点计时器打出的一条纸带，A、B、C、D、E、F、G为我们在纸带上所选的计数点，相邻计数点间的时间间隔为0.1s。试求：求BD、DF两个过程的平均速度。 ________m/s；________m/s。（结果保留两位有效数字） 8. （1）打点计时器接_______（填 “交流”、“直流”）电源，当频率是50Hz时，打点计时器每隔_______秒打一个点。（2）电磁打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器，根据打点计时器打出的纸带，我们可以从纸带上直接得到的物理量是_______。 A．时间间隔            B．位移            C．平均速度               D．瞬时速度（3）如图所示，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，纸带上两相邻计数点间的时间间隔为，其中，，，，，，则： ①打A点时小车的瞬时速度大小是________m/s；②计算小车运动的加速度的表达式为________，加速度大小是________。（计算结果均保留两位有效数字）学业等级练9. “筋膜枪”是利用内部电机带动“枪头”高频冲击肌肉，缓解肌肉酸痛的装备。某同学为了测量“枪头”的冲击频率，如图（a）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。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，完成下列实验内容：（1）该同学发现点迹有拖尾现象，他在测量各点间距时，以拖尾点迹左侧边沿为测量点，如图（b）。①纸带的______（选填“左”“右”）端连接重锤；②取重力加速度为，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）（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”）。10. 图（A）是用测定小车运动的实验装置：信号发射部分和信号接收部分组成位移传感器，应是信号_____部分，图（B）是根据实验数据得到的速度时间图像，根据图像中数据可求出内小车的位移大小为_____。9．用气垫导轨和数字计时器能更精确地测量物体的瞬时速度。若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板通过第一个光电门的时间，通过第二个光电门的时间。已知遮光板的宽度为3mm，滑块通过第一个光电门和第二个光电门的速度大小分别为______m/s和______m/s。（结果均保留小数点后两位）11. 某学习小组在“研究匀变速直线运动”的实验中，用如图所示的气垫导轨装置来测滑块的加速度，由通过两个光电门之间的距离所用时间为t，窄遮光板的宽度为d，窄遮光板依次通过两个光电门的时间分别为t1、t2。(1)通过两个光电门的瞬时速度分别为v1＝________，v2＝________。(2)滑块的加速度可以表示为a＝________(用题中所给物理量表示)。12. （1）用气垫导轨和数字计时器能更精确地测量物体的瞬时速度。如图所示，滑块在牵引力作用下先后通过两个光电门，配套的数字毫秒计记录了遮光板通过第一个光电门的时间为Δt1＝0.30s，通过第二个光电门的时间为Δt2＝0.11s，已知遮光板的宽度为3.0cm，滑块通过第一个光电门速度大小为_________m/s和第二个光电门的速度大小为_________m/s（保留两位有效数字）（2）为使测量值更接近瞬时速度，正确的措施是正确的措施是(      )A、提高测量遮光条宽度的精确度B、换用宽度更窄的遮光条C、使滑块的释放点更靠近光电门