2019-2020学年新教材高中物理 第二章 第1节 实验：探究小车速度随时间变化的规律课件 新人教

第二章匀变速直线运动的研究第1节实验：探究小车速度随时间变化的规律实验目的1．巩固对打点计时器的使用及利用纸带求瞬时速度。2．学会用实验探究小车速度随时间变化的规律，学会用v­t图像处理实验数据。3．探究小车在重物牵引下运动速度随时间变化的规律。实验原理1．利用纸带计算瞬时速度：以纸带上某点为中间时刻取一小段位移，用这段位移的平均速度表示这点的瞬时速度。2．用v­t图像表示小车的运动情况：以速度v为纵轴、时间t为横轴建立直角坐标系，用描点法画出小车的v­t图像，图线的倾斜程度表示加速度的大小，如果v­t图像是一条倾斜的直线，说明小车的速度是随时间均匀变化的。实验器材打点计时器、交流电源、纸带、一端带有滑轮的长铝板、小车、细绳、槽码、刻度尺、坐标纸。实验步骤1．如图所示，把一端带有滑轮的长铝板平放在实验桌上，并使滑轮伸出桌面，打点计时器固定在长铝板没有滑轮的一端，连接好电路。2．把一条细绳拴在小车上，使细绳跨过滑轮，下面挂上适当的槽码，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，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行小点，随后立即关闭电源。4．换上新纸带，重复实验三次。数据处理1．测量并记录数据(1)从几条纸带中选择一条点迹最清晰的。为了便于测量，舍掉开头一些过于密集的点，找一个适当的点作为计时起点(0点)，每5个点(相隔0.1s)取一个计数点进行测量，如图所示(相邻两点间还有四个点未画出)。标明0、1、2、3、4、…，测量各计数点到0点的距离x，并记录填入表中。位置编号012345t/sx/mv/(m·s－1)(2)分别计算出相邻的两计数点之间的位移x1、x2、x3、…。(3)用一段时间内的平均速度代替这段时间中间时刻的瞬时速度，即vn＝xn＋xn＋12T。例如，图中计数点4的速度v4＝x4＋x52T。并将求得的各计数点1、2、3、4、5的瞬时速度填入表格中。2．作出v­t图像分析运动规律(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，如图所示。(3)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v­t图像求出小车运动的加速度a＝ΔvΔt。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，立即关闭电源。4．选取一条点迹清晰的纸带，适当舍弃点迹密集部分，适当选取计数点(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．不要逐次测量各段距离，应尽可能地一次测量完毕。6．在坐标纸上画v­t图像时，注意坐标轴单位长度的选取，应使图像尽量分布在坐标平面中央。考点一实验原理与操作[典例1]在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，某同学操作的实验步骤如下，找出错误或遗漏的步骤(遗漏步骤可编上序号F、G、…)：A．拉住纸带，将小车移至靠近打点计时器处放开纸带，再接通电源B．将打点计时器固定在长木板上，并接好电路C．把一条细绳拴在小车上，使细绳跨过定滑轮，下面吊着适当重的钩码D．取下纸带E．将纸带固定在小车尾部，并穿过打点计时器的限位孔(1)所列步骤中有错误的是：_________________________________________________________________________________。(2)遗漏的步骤是：__________________________________。(3)将步骤完善后写出合理的步骤顺序：_________________。[解析](1)步骤A中应先接通电源，再放开纸带，顺序不能颠倒；步骤D中取下纸带前应先断开电源。(2)遗漏的步骤F.换上新纸带，重复实验两次。(3)步骤完善后，合理的步骤顺序为B、E、C、A、D、F。[答案](1)步骤A中应先接通电源，再放开纸带；步骤D中取下纸带前应先断开电源(2)F.换上新纸带，重复实验两次(3)BECADF[对点训练]1．某同学按如图所示装置做“探究小车速度随时间变化的规律”的实验。(1)图中仪器A叫做________打点计时器，使用220V________(填“交流”或“直流”)电源，释放小车前，小车应停在________(填“靠近”或“远离”)仪器A的位置。(2)使用打点计时器分析小车运动情况的实验中，有以下基本步骤：A．松开纸带让小车带着纸带运动B．穿好纸带C．把打点计时器固定好D．接通电源进行打点以上步骤的正确顺序是____________。解析：(1)题图中仪器A叫做电火花打点计时器，使用220V交流电源，实验过程中，释放小车前，小车应停在靠近仪器A的位置。(2)使用打点计时器来分析小车运动情况的实验中，基本步骤为：先把打点计时器固定好，穿好纸带，再接通电源进行打点，之后松开纸带让小车带着纸带运动，故正确的顺序是C、B、D、A。答案：(1)电火花交流靠近(2)CBDA考点二数据处理和误差分析[典例2](2018·山东6月合格考)在利用打点计时器研究小车做匀变速直线运动特点的实验中，某同学得到一条点迹清晰的纸带，选取便于测量的部分进行研究，把计时起点标为0，往后再每隔4个点标定一个计数点，分别标以1、2、3、4、5、6、7，如图所示。(1)已知相邻两计数点之间的时间间隔为T,1、2两点之间的距离为x2,2、3两点之间的距离为x3，则打下计数点2时小车的瞬时速度为________。(2)该同学根据测量数据计算出小车的速度并记入表中。请在图中的坐标纸上，根据表中数据作出小车运动的v­t图像；由图像可求得小车加速度的大小a＝________m/s2。计数点0123456时间t/s00.10.20.30.40.50.6速度v/(m·s－1)0.811.001.201.391.601.80[解析](1)根据某点相邻前后两点间的平均速度代替该点的瞬时速度知，v2＝x2＋x32T。(2)图像如图所示：由图像的斜率表示加速度知，a＝1.80－1.000.6－0.2m/s2＝2.0m/s2。[答案](1)x2＋x32T(2)见解析图2.0(1.9～2.1均可)[关键点拨]数据处理的规范要求(1)处理纸带时，一定要分清计时点和计数点，搞清计数点之间的时间间隔T。(2)明确坐标轴的意义并选取合适标度，既要把数据标注在坐标系中，又要匀称直观，合理分布，大小适中。(3)如果坐标系中的数据点大致落在一条直线上，作图线时应使尽可能多的点落在直线上，不在直线上的点应均匀分布在直线两侧；如果图线是曲线，要用平滑的曲线连接各点。[对点训练]2．小明同学按如图所示装置做“探究小车速度随时间变化的规律”的实验。(1)[多选]释放小车时，实验装置如图甲所示，指出该装置或操作中错误的是________。A．电磁打点计时器接在直流电源上了B．小车质量没有远大于槽码质量C．小车离打点计时器过远(2)如图乙为改正装置后打下的一条纸带的中间部分，A、B、C、D为其中连续打出的四个点(已知打点计时器打点时间间隔T＝0.02s)。由于操作不慎，C点模糊了，小明仍用此纸带来研究。从图上可以读得A点在刻度尺上位置的读数为________cm，在打下C点时小车的速度最接近于________m/s(结果保留三位有效数字)。解析：(1)电磁打点计时器应接在交流电源上；不需小车质量远大于槽码质量；小车离打点计时器过远，故选A、C。(2)A点在刻度尺上位置的读数为2.95cm；打点计时器打点时间间隔T＝0.02s，在打下C点时小车的速度vC＝xD－xB2T＝9.60－4.00×10－22×0.02m/s＝1.40m/s。答案：(1)AC(2)2.951.40考点三实验创新考查[典例3]在探究“小车速度随时间变化的规律”的实验中，打点计时器接在50Hz的低压交流电源上，某同学在打出的纸带上每5个点取一个计数点，共取了A、B、C、D、E、F六个计数点，如图甲所示。从每一个计数点处将纸带剪开分成五段(分别为a、b、c、d、e段)，将这五段纸带由短到长紧靠，但不重叠地粘在xOy坐标系中，如图乙所示，由此可以得到一条表示v­t关系的图线。(1)请在图乙中用最简洁的方法作出能表示v­t关系的图线(作答在图上)，其________(填“x”或“y”)轴相当于v轴。(2)从第一个计数点开始计时，为求出0.15s时刻的瞬时速度，需要测出________(填“a、b、c、d、e”中的一个)段纸带的长度。(3)若测得a段纸带的长度为2.0cm，e段纸带的长度为10.0cm，则可求出加速度的大小为________m/s2。[解析](1)分别取a、b、c、d、e五段的上方中点，并连线，得到的即为v­t图像，如图所示，y轴相当于v轴。(2)t＝0.15s是BC时间段的中间时刻，要求t＝0.15s时的瞬时速度，只需要测b段纸带的长度sb，然后用v＝sbt即可得到t＝0.15s时的瞬时速度。(3)a、e段各自中间时刻的瞬时速度分别为va＝sat，ve＝set，根据a＝ΔvΔt得a＝2.0m/s2。[答案](1)见解析图y(2)b(3)2.0[对点训练]3．[多选]在用打点计时器“研究物体的速度随时间的变化规律”的实验中，某同学将打点计时器打出的三条纸带，分别以间隔相同点迹的方式依次剪成短纸带，按先后顺序一端对齐粘贴在一起。然后用平滑线段将各段纸带顶端的中点连起来，如图甲、乙、丙所示，则根据纸带的特点即可研究物体的速度随时间的变化规律。以下说法正确的是()A．图甲表示物体处于静止B．图乙表示物体做匀速直线运动C．图乙表示物体的速度随时间均匀增加D．图丙表示物体的速度先随时间均匀增加，后保持不变解析：纸带的高度表示相应时间内物体的位移Δx。因点迹时间间隔相同，故发生各段位移Δx的时间间隔Δt相等，而纸带宽度相同，即可以用水平方向的宽度来表示时间。Δt相同时，v＝ΔxΔt∝Δx，即纸带的高度恰好可反映物体的速度大小。综上可知，用平滑的线段将各段纸带顶端的中点连起来可表示物体运动的vt图像，故C、D正确。答案：CD