人教版 (2019)必修 第一册1 实验：探究小车速度随时间变化的规律学案

这是一份人教版 (2019)必修 第一册1 实验：探究小车速度随时间变化的规律学案，共14页。学案主要包含了实验思路，进行实验，数据记录及数据分析等内容，欢迎下载使用。
物理观念
(1)熟练使用打点计时器，并求瞬时速度．
(2)描绘并利用v ­ t图像处理实验数据并通过对拟合成的图线观察、思考，找出物体速度变化的规律．
科学思维
(1)学会利用图像处理实验数据的科学方法．
(2)经历探究规律的过程，体会研究直线运动的一般思路．
科学探究
(1)使用打点计时器测物体的运动速度．
(2)通过实验，提升实验设计、处理信息、做出解释等科学探究方面的能力．
(3)学习借助计算机数表软件绘制v ­ t图像，并选择适当的函数拟合数据，得到物体速度随时间变化的规律．
科学态度与责任
通过实验探究培养实事求是的科学态度．
实验必备·自主学习——突出基础性 素养夯基
一、实验思路
1．实验目的
(1)进一步练习使用打点计时器．
(2)会利用平均速度求瞬时速度．
(3)会利用v ­ t图像处理实验数据，并由图像计算小车的加速度和判断小车的运动情况．
2．实验器材
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、槽码、________、交流电源．
3．实验思路
如图所示，把一端带有________的长木板平放在实验桌上，木板上放一个可以左右移动的________，小车一端连接穿过打点计时器的________，另一端连接绕过滑轮系有________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随时间变化情况．
二、进行实验
1．安装实验器材：把附有滑轮的长木板放在实验台上，并使滑轮伸出桌面，把打点计时器固定在长木板没有滑轮的一端，连接好电路，如图所示．
2．实验准备
把一条细绳拴在小车上，使细绳跨过滑轮，下面挂上合适的槽码．放手后，看小车能否在木板上平稳地加速滑行，然后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.打纸带
使小车停在打点计时器处，先接通电源，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列小点，再按同样的方法(不改变槽码个数)打出两条纸带．从这三条纸带中选用一条最清晰的，记录为纸带Ⅰ.
4.增减槽码再打纸带
增加一个槽码，按上述方法打出纸带Ⅱ.在打纸带Ⅰ时的基础上减少一个槽码，仍按上述方法打出纸带Ⅲ.
三、数据记录及数据分析
1．数据测量
(1)选纸带、标计数点：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．
(2)测距离、填表格：依次测出01、02、03、04…的距离x1、x2、x3、x4…，填入表中．
(3)求瞬时速度：1、2、3、4…各点的瞬时速度分别为：v1＝x22T、v2＝x3-x12T、v3＝x4-x22T、v4＝x5-x32T….将计算得出的各点的速度填入表中．
2．数据分析
(1)以速度v为纵轴、时间t为横轴建立直角坐标系．根据表中的v、t数据，在坐标系中描点作出v ­ t图像．
(2)观察所得到的直线，分析小车的速度随时间的变化规律．
3．实验结论
小车的速度随时间均匀增加．
[实验原理] (1)利用打点计时器打出的纸带上记录的信息，可计算出各时刻的瞬时速度．(2)利用描点法作出小车的v ­ t图像，根据图像判断小车速度随时间的变化规律．
[注意事项] (1)实验前：①固定长木板时定滑轮要伸出桌面，打点计时器要固定于没有定滑轮的一端；②应让小车停在靠近打点计时器的位置，这样可以最大限度地利用纸带；③细绳应与长木板平行，保证小车的加速度不变．
(2)实验时，①必须先启动计时器，再释放小车；②实验后必须先断开电源，再取下纸带．
(3)牵引小车的槽码个数要适当，以免加速度过大而使纸带上的点太少，或者加速度太小而使各段位移差别不大，导致误差增大．
减小长度测量的误差
纸带上开头有一些过于密集的点迹，因此通常会舍去这些点；如果逐一测量计数点之间的间隔xn，就会引起较大的误差，因此使用“0刻度一次对齐法”以减小长度测量时的误差．
处理实验数据时的注意点
(1)单位；
(2)相邻计数点间的时间间隔T；
(3)结果按照题目要求保留几位有效数字或者保留几位小数；
(4)若题目中没有明确说明，一般按照题目中所给的数据形式进行保留．
作小车运动的v ­ t图像的方法
(1)坐标轴标度的选取要合理，图像分布应符合要求．
(2)描点：描点时要用平行于两坐标轴的虚线交点标明这个点的位置坐标(所描点在图上用“×”或“·”标明)．
(3)连线：画出一条直线，让尽可能多的点落在直线上，不能落在直线上的点应均匀分布在直线两侧，离直线较远的点应舍弃．
(4)v ­ t图像的斜率表示小车的加速度，即a＝ΔvΔt.
关键能力·合作探究——突出综合性 素养形成
探究点一 实验器材及实验步骤
典例示范
例1 在探究小车速度随时间变化的规律的实验中，
(1)除电火花计时器(含纸带、墨粉盘)、小车、一端带有定滑轮的长木板、细绳、槽码、导线和开关外，在下面仪器和器材中，必须使用的有________．
A．220 V交流电源 B．电压可调的直流电源
C．刻度尺 D．停表
E．天平
(2)下列实验操作步骤中，有明显错误的是________．
A．将电火花计时器固定在长木板上，纸带固定在小车尾部并穿过电火花计时器限位孔
B．把一条细绳拴在小车上，细绳跨过定滑轮，下面悬挂适当质量的槽码
C．将小车移至靠近定滑轮处
D．放开纸带，再接通电源
素养训练1 在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，
(1)实验室提供了以下器材：电火花计时器、一端附有滑轮的长木板、小车、纸带、细绳、槽码、刻度尺、交流电源、停表、弹簧测力计．其中在本实验中不需要的器材是________．
(2)按照实验进行的先后顺序，将下述步骤的代号填在横线上________．
A．把穿过打点计时器的纸带固定在小车后面
B．把打点计时器固定在木板没有滑轮的一端，并连好电路
C．换上新的纸带，再重做两次实验
D．把长木板平放在实验桌上，并使滑轮伸出桌面
E．使小车停在靠近打点计时器处，接通电源，放开小车，让小车运动
F．把一条细绳拴在小车上，细绳跨过定滑轮，下边吊着合适的槽码
G．断开电源，取出纸带
素养训练2
如图甲所示的(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)图乙中的实验照片中是否有实验错误、不合理或不必要之处？若存在问题，请指明问题所在．
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(2)下列哪些措施能有助于减小实验的误差________．
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变电源
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M
E．实验前先平衡小车与木板间的摩擦力
探究点二 利用纸带处理实验数据
典例示范
题型1 利用纸带研究物体的运动
例2 如图所示是某同学用打点计时器研究小车运动规律时得到的一段纸带，根据图中的数据，计算小车在AB段、BC段、CD段和DE段的平均速度大小，判断小车运动的性质．(电源的频率为50 Hz)
判断小车运动情况的方法
(1)直接由纸带上打出的点的疏密程度粗略判断；
(2)先算出各段的平均速度，再由平均速度的大小判断；
(3)利用所画的v ­ t图像，直接判断．
题型2 实验误差分析
例3 (多选)在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，下列方法有助于减小实验误差的是( )
A．选取计数点，把每打5个计时点的时间间隔作为一个时间单位
B．使小车运动的加速度尽量小些
C．舍去开始时纸带上密集的点，只利用点迹清晰、间隔适当的那一部分进行测量、计算
D．尽量减少挂在细绳下槽码的个数
题型3 利用纸带计算速度和加速度
例4 某学习小组利用图甲装置研究小车运动的规律．
(1)实验时将打点计时器接到频率为50 Hz的交变电源上，得到一条纸带，打出的部分计数点如图乙所示(每相邻两个计数点间还有4个点未画出)．x1＝4.09 cm，x2＝4.91 cm，x3＝5.69 cm，x4＝6.47 cm，x5＝7.28 cm，x6＝8.14 cm.根据测量数据，分别计算了打点计时器在打B、C、D、E、F点时小车的速度，请将你计算所得的打C点时的速度填入表格．
(2)根据(1)中表格数据，以打A点时为计时起点，在坐标纸中画出小车运动的v ­ t图像．
(3)根据图像得出打A点时小车的速度为________m/s.
(4)根据图像求得小车运动的加速度a＝________m/s2(结果保留一位有效数字)．
素养训练3 (多选)如图甲、乙所示为同一打点计时器打出的两条纸带，由纸带可知( )
A．在打下计数点“0”至“5”的过程中，纸带甲的平均速度比乙的大
B．在打下计数点“0”至“5”的过程中，纸带甲的平均速度比乙的小
C．纸带甲的加速度比乙的大
D．纸带甲的加速度比乙的小
素养训练4 做“探究小车速度随时间变化的规律”的实验．
(1)用一条纸带穿过计时器，该同学发现有图甲中的两种穿法，感到有点犹豫．你认为________(选填“A”或“B”)的穿法效果更好．
(2)完成实验后，小明用刻度尺测量纸带距离时如图乙，B点的读数是________cm，已知打点计时器每0.02 s打一个点，则B点对应的速度vB＝________m/s(vB结果保留三位有效数字)．
(3)某实验小组中的四位同学利用同一条纸带的数据作v ­ t图像，分别作出了如图所示的四幅v ­ t图像，其中最规范的是________．
随堂演练·自主检测——突出创新性 素养达标
1.在“探究小车速度随时间变化的规律”实验中，下列说法正确的是( )
A．小车在槽码的牵引下运动时只需打一条纸带，然后进行数据处理
B．为使测量更为严谨，应把打下的第一个点作为第一个计数点
C．为了便于测量，应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
D．两相邻计数点间的时间间隔必须是0.1 s
2．(1)某同学在“探究小车速度随时间变化的规律”时，用电磁打点计时器记录纸带运动的时间．该同学实验所用的电源是( )
A．8 V的交变电源 B．8 V的直流电源
C．220 V的交变电源 D．220 V的直流电源
(2)在“探究小车速度随时间变化规律”的实验中，下列说法中错误的两项是( )
A．在释放小车前，小车应紧靠在打点计时器处
B．应先接通电源，待打点计时器打点稳定后再释放小车
C．要在小车到达定滑轮前使小车停止运动
D．使用刻度尺测量长度时，不必估读
E．作v ­ t图像时，所描曲线必须经过每一个点
3．在进行“探究小车速度随时间变化的规律”实验中：
(1)图1所示实验器材是________(选填“计时”“测速”或“测距”)的仪器．其中必须使用8 V低压交流电源的是________(选填“甲”或“乙”)．
(2)实验得到一条清晰的纸带，如图2所示是截取了其中一段纸带用刻度尺(单位：cm)测量时的情景，其中A、B、C、D、E、F为6个相邻的点迹．已知打点计时器所用电源的频率为50 Hz.则计数点E所在位置的刻度尺读数为________cm，小车加速过程中E点瞬时速度大小为________m/s.
4．在“探究小车速度随时间变化规律”的实验中
(1)如图甲所示，所用打点计时器的工作电压为________；
A．直流220 V B．交流220 V
C．直流8 V D．交流8 V
(2)某次实验得到如图乙所示的一条清晰纸带，截取了其中一段用刻度尺(单位：cm)进行测量，在纸带上标注了A、B、C、D、E、F、G共7个计数点(每两个点迹标注一个计数点)，已知打点计时器所用电源的频率为50 Hz，取计数点A对应时刻为0.其中计数点E所在位置的刻度尺读数为________cm，小车加速过程中DF段的平均速度为________m/s(计算结果保留两位有效数字)，用这一速度表示小车通过E点时的瞬时速度，并将其描在坐标纸上(其中B、C、D、F四个点已描点完成)．请同学们在坐标纸上拟合图线，并求解小车运动的加速度a＝________ m/s2(计算结果保留两位有效数字)．
第二章 匀变速直线运动的研究
1．实验：探究小车速度随时间变化的规律
实验必备·自主学习
一、
2．刻度尺
3．定滑轮 小车 纸带 槽码
关键能力·合作探究
探究点一
【典例示范】
例1 解析：(1)使用电火花计时器时需要用220 V的交流电源，可以用来计时，不需要停表；处理纸带时需要用刻度尺测量长度；实验中不需要测量质量，故选A、C.
(2)实验操作时，将接好纸带的小车停在靠近电火花计时器处，先接通电源，再释放纸带．故C、D错误，A、B正确．C、D符合题意．
答案：(1)AC (2)CD
素养训练1 解析：(1)本实验需要测量的物理量是位移和时间，用打点计时器打出的纸带上的点就可以算出时间，用刻度尺可以测出两点间的距离，因此，不需要弹簧测力计和停表．(2)根据实验的步骤，正确的顺序应为DBFAEGC.
答案：(1)弹簧测力计、停表 (2)DBFAEGC
素养训练2 解析：(1)照片A：实验有错误之处，选用蓄电池作为电源．照片B：实验有不合理之处，小车起始点离打点计时器过远．
(2)选用输出电压稳定性更佳的稳定电源，打点计时器不能计时，A错误；选用输出电压变化周期更稳定的交变电源可使打点周期稳定，减小误差，B正确；调节滑轮高度，使拉线与长木板平行，可减小误差，C正确；测定小车的速度不需要满足槽码的质量m远小于小车的质量M，也不需要实验前先平衡小车与木板间的摩擦力，D、E错误．
答案：(1)见解析 (2)BC
探究点二
【典例示范】
例2 解析：先明确相邻计数点间的时间间隔，然后利用平均速度公式v＝ΔxΔt求解，得vAB＝x1t1＝1.90×10-25×0.02 m/s＝0.19 m/s；vBC＝x2t2＝2.40×10-22×0.02 m/s＝0.60 m/s；vCD＝x3t3＝1.20×10-20.02 m/s＝0.60 m/s；vDE＝x4t4＝2.38×10-22×0.02 m/s＝0.595 m/s≈0.60 m/s.
由以上计算数据可以判断出在误差允许的范围内，小车运动的性质是先加速运动后匀速运动．
答案：先加速运动后匀速运动
例3 解析：实验中应区别打点计时器打出的点迹与人为选取的计数点，通常每5个计时点选1个计数点，这样计数点间的距离大些，测量位移时相对误差较小，A正确；小车的加速度应适当大一些，从而使纸带上计数点间的距离较大，测量的误差较小，B错误；舍去开始时纸带上密集的点，只利用点迹清晰、间隔适当的那一部分进行测量，这样测量的误差较小，C正确；使挂在细绳下槽码的个数适当，使实验既可以打出足够多的点，又可以让计数点间的位移比较大，有利于减小误差，D错误．
答案：AC
例4 解析：(1)每相邻计数点之间有4个点未画出，故相邻计数点之间的时间间隔T＝0.1 s，由vC＝x2+x32T得vC＝4.91+5.69×10-22×0.1 m/s＝0.53 m/s.
(2)描点作图如图所示．
(3)由图可得vA＝0.37 m/s.
(4)由v­t图线斜率可得a＝0.8 m/s2.
答案：(1)0.53 (2)见解析图所示 (3)0.37 (4)0.8
素养训练3 解析：在打下计数点“0”至“5”的过程中，两纸带运动的时间相同，但甲纸带的位移小于乙纸带的位移，故v甲