高中物理人教版 (2019)必修 第一册第二章 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导学案

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第一册第二章 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导学案，共11页。学案主要包含了学习目标，学习过程等内容，欢迎下载使用。
实验：探究小车速度随时间变化的规律 【学习目标】物理观念经历直线运动的实验过程科学思维体会图像法在研究物理问题中的重要性科学探究探究小车速度随时间变化的规律科学态度与责任初步了解近代实验科学产生的背景，认识实验对物理学发展的推动作用【学习过程】一、知识纲要导引二、基础导学（一）实验思路（自学教材“实验思路”部分）1．实验目的：研究小车速度随时间变化的规律，测量小车在不同时刻的瞬时速度．2．实验器材打点计时器、一端附有定滑轮的长木板、小车、纸带、细绳、钩码、刻度尺、导线、交流电源．3．实验思路：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（自学教材“进行实验”部分）1．按照图固定好实验器材，并连接好电路．2．把小车停在靠近打点计时器的位置．3．启动计时器，然后放开小车，让它拖着纸带运动．打点计时器在纸带上打下一行小点．4．关闭电源，取下纸带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． （三）数据记录及数据分析（自学教材“数据记录及数据分析”部分）1．数据测量（1）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）依次测出01、02、03、04、…的距离x1、x2、x3、x4、…，填入表中．位置123456长度x1x2x3x4x5x6      （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．位置编号0123456时间t/s00.10.20.30.40.50.6v/（m·s－1）       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：小车速度随时间均匀增加．三、启迪思维，突破重点主题一：实验操作与注意事项知识链接：控制实验条件的原因① 细线、纸带保持水平状态：保证小车运动的加速度不变．② 小车要靠近打点计时器：保证纸带上打出足够多的点．③ 槽码个数适当：便于分析实验数据和作图．④ 先打点后释放小车：保证纸带上有足够多的点．1．实验步骤可简化为放置→固定→连接→先接后放．开始实验→重复实验→数据分析．2．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，等打点稳定后，再释放小车．（3）打点完毕，应立即断开电源．（4）要防止钩码落地，避免小车跟滑轮相碰，在小车到达滑轮前及时用手按住．（5）牵引小车的钩码个数要适当，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，误差增大．（6）要区分打点计时器打出的计时点和人为选取的计数点，一般在纸带上每隔四个计时点取一个计数点，即时间间隔t＝0.1s．（7）在坐标纸上画v ­ t图像时，注意坐标轴单位长度的选取，应使图像尽量分布在较大的坐标平面内．典例示范例1：在“探究小车速度随时间变化的规律”实验中，某同学进行了以下实验操作步骤，试找出其中的错误和遗漏的步骤（遗漏步骤可编上序号G、H、……）．A．将打点计时器固定在长木板无滑轮一端，并接好电路B．拉住纸带，将小车移到靠近打点计时器的一端后，放开纸带，再接通电源C．把一条细绳拴在小车上，细绳跨过定滑轮，下面吊着适当的钩码D．取下纸带，再断开电源E．将纸带固定在小车尾部，并穿过打点计时器的限位孔F．从所打的纸带中选取理想的纸带进行测量分析错误和遗漏：①________________________________________________________________________；②________________________________________________________________________；③________________________________________________________________________． 正确的操作步骤为________．解析：正确的实验步骤是：把长木板平放在实验桌上，并使滑轮伸出桌面，把打点计时器固定在木板没有滑轮的一端，并连好电路，把一条细绳拴在小车上，细绳跨过定滑轮，另一端吊合适的钩码，把穿过打点计时器的纸带固定在小车后面，使小车停在靠近打点计时器处．先接通电源，再放开小车，让小车运动，打完一条纸带，断开电源，取下纸带，换上新纸带，再重做两次．即顺序为AECBDGF．答案：①B中应先接通电源，再放开纸带②D中应先断开电源，再取下纸带③G换上新纸带，重复实验两次AECBDGF训练1：在用打点计时器“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，下述测量每相邻两计数点间距离的方法正确的是（    ）A．当某两个计数点的距离较大时，可以用短尺把它分段来测量B．当某两个计数点间的距离较小时，可以用短尺一次把它测完C．测量每两个相邻计数点间的距离，应该用毫米刻度尺的零刻线对准起点，读出各计数点对应的刻度值，然后逐一相减，得到每两个相邻计数点间距离的数值D．分别测出每两个计数点间的距离，这样便于记录解析：为了减小测量误差，测量两个相邻计数点间的距离时，应该用毫米刻度尺量出各点到第一个点的距离，再逐一相减，得到每两个相邻计数点的距离，故只有C项正确．答案：C主题二：数据处理及分析典例示范例2：在研究物体速度随时间变化规律的实验中，如图所示为一次记录小车运动情况的纸带，图中A、B、C、D、E为相邻的计数点，相邻计数点间的时间间隔T＝0.1s．（1）根据__________可计算各点的瞬时速度，可得vD＝__________m/s，vC＝__________m/s，vB＝__________m/s．（2）在下图所示坐标系中画出小车的v­t图线，并根据图线求出a＝__________．（3）分析小车运动速度随时间变化的规律．解析：（1）在时间间隔较小时，与某点相邻的前后两点间的平均速度等于该点的瞬时速度．D点的瞬时速度vD＝＝＝390 cm/s＝3.90m/sC点的瞬时速度vC＝＝＝264cm/s＝2.64m/sB点的瞬时速度vB＝＝＝138cm/s＝1.38m/s．（2）由上述数据画出小车的v ­ t图线如图所示，由图线的斜率可求得它的加速度a＝＝＝12.6 m/s2．（3）小车运动的v ­ t图像是一条倾斜向上的直线，说明速度随时间均匀增加．答案：（1）与该点相邻的前后两点间的平均速度等于该点的瞬时速度；3.90；2.64；1.38（2）如右图所示；12.6m/s2（3）速度随时间均匀增加训练2：在探究小车速度随时间变化的规律的实验中，算出小车经过各计数点的瞬时速度如下计数点序号123456计数点对应的时刻（s）0.100.200.300.400.500.60通过计数点的速度（cm/s）44.062.081.0100.0119.0138.0为了计算加速度，合理的方法是（    ）A．根据任意两计数点的速度用公式a＝算出加速度B．根据实验数据画出v­t图像，量出其倾角α，由公式a＝tanα求出加速度C．根据实验数据画出v­t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解析：方法A偶然误差较大．方法D实际上也仅由始末两个速度决定，偶然误差也比较大．只有利用实验数据画出对应的v­t图像，才可充分利用各次测量数据，减少偶然误差．由于在物理图像中，两坐标轴的分度大小往往是不相等的，根据同一组数据，可以画出倾角不同的许多图像，方法B是错误的．正确的方法是根据图像找出不同时刻所对应的速度值，然后利用公式a＝算出加速度，即方法C．答案：C知识链接：图像法处理数据时注意两点（1）坐标轴单位长度的选取要合适，使图像分布在坐标平面的中央面积上．（2）如果作出的v­t图像是一条直线，则直线的斜率表示加速度a的大小．在数学中，横、纵坐标所取标度大小相同，某直线的斜率等于直线与横轴夹角α的正切值tanα．而在物理学中，根据实验数据画出v­t图像当横纵坐标取不同的标度时，图像的倾角就会不同．四、达标检测1．关于“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，下列操作不正确或不必要的是（    ）A．长木板必须水平，不能一端高，一端低B．释放小车时，小车应靠近打点计时器C．应先接通电源，待打点计时器打点稳定后再释放小车D．要在小车到达定滑轮之前使小车停止运动解析：在此实验中，带滑轮的长木板可以倾斜，只要小车能以稍大的加速度做匀变速直线运动就可以；为了充分利用纸带，使纸带上打点多一些，应使小车在靠近打点计时器处释放，并且要先接通电源再释放小车；为了防止小车与滑轮碰撞而损坏，应在小车到达滑轮前使其停止运动．故选A．答案：A2．[2019·大连高一检测]在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，采取下列哪些措施，有利于减小纸带因受到的摩擦而产生的误差（    ）A．改用直流6V的电源B．电源电压越低越好C．用平整的纸带，不用皱折的纸带D．纸带不要穿过限位孔解析：打点计时器使用的电源是交流电源，直流电源不会工作，故A错误；电源电压偏低会使得打出的点迹不够清晰，故B错误；用平整的纸带，不用皱折的纸带，皱折的纸带和计时器的摩擦阻力较大，故C正确；纸带不穿过限位孔，小车可能不做直线运动，故D错误．答案：C3．用电磁打点计时器、平板（光滑）、小车等器材探究小车速度随时间变化的规律，如图所示是某同学即将释放小车之前的实验装置图．该装置图中有3处明显错误，它们分别是：（1）________________________________________________________________________；（2）________________________________________________________________________；（3）________________________________________________________________________．答案：（1）细线与平板不平行（2）打点计时器接的是直流电源（3）小车离打点计时器的距离太远4．[2019·浙江温州高一上期中]在“探究小车速度随时间变化的规律”实验中，从下列所给器材中选出本实验所必须的器材有________________；为能按实验要求达到实验目的，还缺少的器材有________________（写出一种即可）．①电磁打点计时器　②天平　③低压直流电源　④细绳　⑤纸带　⑥小车　⑦钩码　⑧停表　⑨一端带有滑轮的长木板解析：在“探究小车速度随时间变化的规律”实验中，所需的实验步骤：（1）木板平放，并使滑轮伸出桌面，把打点计时器固定，连接好电路；（2）穿纸带，挂钩码；（3）先接通电源，然后放开小车，让小车拖着纸带运动，打完一条后立即关闭电源．由实验步骤可以看出需要的仪器有①④⑤⑥⑦⑨．为了得到小车的运动规律，还需要用刻度尺来测量计数点之间的距离，用来计算速度和加速度；电磁打点计时器工作时需要低压交流电源．答案：①④⑤⑥⑦⑨；低压交流电源（或刻度尺）5．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．（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稳恒电源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．实验中满足砝码盘和砝码的总质量m远小于木块的质量ME．实验前先平衡滑块与木板间的摩擦力解析：（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，木块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恒电源对实验无影响，A错误；选用输出电压变化周期更稳定的交流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；测定木块的加速度不需要满足砝码盘和砝码的总质量m远小于木块的质量M，也不需要实验前先平衡滑块与木板间的摩擦力，D、E项错误，故选BC．答案：（1）见解析（2）BC6．在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中：（1）除打点计时器（含纸带、复写纸）、小车、一端附有滑轮的长木板、细线、钩码、导线及开关外，在下面的仪器和器材中，必须使用的有（    ）A．天平B．电压可调的直流电源C．秒表D．电压合适的50Hz交流电源（2）实验过程中，下列做法正确的是（    ）A．先接通电源，再使纸带运动B．先使纸带运动，再接通电源C．将接好纸带的小车停在靠近滑轮处D．将接好纸带的小车停在距离滑轮和打点计时器相等的位置（3）如图所示为一次实验得到的一条纸带，纸带上每相邻的两个计数点间都有4个点未画出，按时间顺序取0、1、2、3、4、5、6共7个计数点，测出1～6各点到O的距离．如图所示（单位：cm）由纸带数据计算可得计数点4所代表时刻的瞬时速度大小v4＝________m/s．解析：（1）使用打点计时器时需要用电压合适的交流电源；处理纸带时需要用刻度尺，而天平与秒表均不需要，故D正确，A、B、C错误．（2）实验操作时，用将接好纸带的小车停在靠近打点计时器处，先接通电源，再释放纸带，故A正确，B、C、D错误．（3）根据某段时间内平均速度近似等于中间时刻的瞬时速度，则有：v4＝＝m/s＝0.41m/s．答案：（1）D（2）A（3）0.417．一小球在桌面上从静止开始做加速直线运动，现用高速摄影机在同一底片上多次曝光，记录下小球每次曝光的位置，并将小球的位置编号．如图甲所示，1位置恰为小球刚开始运动的瞬间，作为零时刻． 摄影机连续两次曝光的时间间隔均相同．（1）小球从1位置到6位置的运动过程中经过各位置的速度如表所示，将表中的数据补充完整．计数点序号12345速度vn/（m·s－1）v1＝0v2＝0.06v3＝____v4＝0.18v5＝____（2）在图乙所示的坐标纸上作出小球的速度－时间图像（保留描点痕迹）（3）由v­t图像可知小车运动的规律：速度随时间________．解析：（1）因为x1＋x2＝0.06 m，且v2＝m/s＝0.06m/s，所以T＝0.5s因为x2＋x3＝0.12m，则v3＝＝m/s＝0.12m/s因为x4＋x5＝0.24m，则v5＝＝m/s＝0.24m/s（2）其v­t图像如图所示．（3）小车运动的v­t图像是一条斜向上的直线，表示小车的速度随时间均匀增加．答案：（1）0.12；0.24（2）图见解析（3）均匀增加