（教师备课专用）浙江省2021高考物理一轮复习第一单元直线运动第4课时实验：探究小车速度随时间变化的规律课件 47页

第4课时　实验:探究小车速度随时间变化的规律 实验一　练习使用打点计时器 一、实验目的 基础过关 1. 了解打点计时器的结构、原理及使用方法; 2. 学会用打点计时器测量物体的速度; 3. 能利用 v - t 图像分析实验数据,描述物体的运动。 二、实验原理 1.两种打点计时器的比较 电磁打点计时器 电火花计时器 结构 示意图     打点原理 电磁作用下振针上下周期性振动打点 脉冲电流经放电针、墨粉纸盘到纸盘轴放电 打点 电磁打点计时器 电火花计时器 工作电压 6 V以下交流电源 220 V交流电源 打点周期 0.02 s 0.02 s 阻力来源 纸带与限位孔、复写纸的摩擦,纸带与振针的摩擦 纸带与限位孔、墨粉纸盘的摩擦,比电磁打点计时器小 功能 功能相同,都是计时仪器 2.测平均速度、瞬时速度的原理 用跟运动物体连在一起的纸带上打出的点记录物体对应的位置,用刻度尺测 出两个计数点间的位移Δ x 。打两个点的时间间隔为Δ t ,则   =   ,当Δ t 很短时, 认为   为 t 时刻的瞬时速度。 三、实验器材 电磁打点计时器(或电火花计时器)、学生电源(电火花计时器使用220 V交流 电源)、刻度尺、纸带、复写纸、导线、坐标纸等。 四、实验过程 1.实验步骤 (1)把电磁打点计时器固定在桌子上,纸带穿过限位孔,把复写纸套在定位轴 上,并且压在纸带上面。 (2)把电磁打点计时器的两个接线柱接到6 V的低压交流电源上。 (3)接通电源开关,用手水平拉动纸带,使它在水平方向上运动,纸带上就打下 一系列点。随后关闭电源。 (4)重复步骤(2)、(3),获得3~5条纸带。 (5)选择一条点迹清晰便于分析的纸带,舍去前面密集的点,找一清晰的点作 为第1个点,往后数 n 个点, n 个点之间的间隔数为( n -1),纸带从打第1个点到打 第 n 个点的运动时间Δ t =0.02( n -1) s。 (6)用刻度尺测量出第1个点到第 n 个点间的距离Δ x 。 2.数据处理 (1)计算纸带的平均速度 : 从打第1个点到打第 n 个点,纸带的运动时间为 Δ t = 0.02( n -1) s,纸带的位移为Δ x ,纸带的平均速度   =   。把测量和计算的结果填入 表中。 (2)用打点计时器测量瞬时速度 ①选取一条点迹清晰便于分析的纸带。 ②从能够看清的某个点开始,每隔四个点取一个计数点,每两个计数点间的时 间间隔 T =5 × 0.02 s=0.1 s。在纸带上用 O 、 A 、 B 、 C 、 D … 标出这些“计数 点”,如图所示。 用刻度尺依次测出 OA 、 OB 、 OC 、 OD … 的距离是 s 1 、 s 2 、 s 3 、 s 4 … ,再利用 x 1 = s 1 、 x 2 = s 2 - s 1 、 x 3 = s 3 - s 2 … 确定出 OA 、 AB 、 BC 、 CD … 之间的距离 x 1 、 x 2 、 x 3 、 x 4 … ③ A 、 B 、 C 、 D … 各点的瞬时速度分别为 v A =   、 v B =   、 v C =   、 v D =   … (3)用 v - t 图像描述物体的运动 ①以速度 v 为纵轴,时间 t 为横轴建立直角坐标系。 ②根据不同时刻的瞬时速度值,在坐标系中描点。 ③用平滑曲线把这些点连接起来,即得到 v - t 图像。 五、误差分析 1. 利用平均速度来代替计数点的瞬时速度自身带来系统误差。为减小误差, 应取以计数点为中心的较小位移Δ x 来求平均速度。 2. 测量计数点间的位移 x 带来误差。减小此误差的方法是一次测量完成,即一 次测出各计数点到起始计数点 O 的距离,再分别计算出各计数点间的距离。 3. 计数点间的时间Δ t 搞错。几个计数点间的时间间隔为Δ t =( n -1) × 0.02 s。而 非Δ t = n × 0.02 s。 4. 作 v - t 图像不用坐标纸、尺子,坐标单位选定得不合理,作图粗糙带来误差。 六、注意事项 1. 实验前,应将打点计时器固定好,以免拉动纸带时晃动,并要先轻轻试拉纸 带,应无明显的阻滞现象。 2. 使用打点计时器打点时 , 应先接通电源 , 待打点计时器打点稳定后再拉动纸 带。 3. 手拉动纸带时速度应快一些 , 以防点迹太密集。 4. 使用电火花计时器时 , 应注意把纸带正确穿好 , 墨粉纸盘位于纸带上方 ; 使用 电磁打点计时器时 , 应让纸带穿过限位孔 , 压在复写纸下面。 5. 使用电磁打点计时器时 , 如打出点较轻或是打出短线 , 应调整振针距复写纸 的高度。 6. 打点计时器不能连续工作太长时间 , 打点之后应立即关闭电源。 实验二　探究小车速度与时间的关系 一、实验目的 1. 练习正确使用打点计时器。 2. 会根据纸带上的点迹求匀变速直线运动的瞬时速度、加速度。 3. 会根据纸带上的点迹探究小车速度随时间变化的规律 , 并能画出小车运动 的 v - t 图像 , 根据图像求加速度。 二、实验器材 电磁打点计时器(或电火花计时器)、一端附有定滑轮的长木板、小车、纸 带、细绳、钩码、刻度尺、导线、电源、复写纸片。 器材名称 打点计时器 作用 计时仪器,每隔0.02 s打一次点 工作条件 电磁打点计时器:6 V以下交流电源 电火花计时器:220 V交流电源 纸带上点的意义 a.表示和纸带相连的小车在不同时刻的位置; b.通过研究纸带上各点之间的间隔,可以判断小车的运动情况 三、实验步骤 1. 按照如图所示实验装置,把打点计时器固定在长木板无滑轮的一端,连接好 电路;   2. 把细绳一端系在小车上并使细绳绕过滑轮,另一端挂合适的钩码,将纸带穿 过打点计时器,固定在小车后面,调节滑轮的高度,使细绳与长木板平行; 3. 把小车停靠在打点计时器处,先接通电源,后放开小车; 4. 小车运动一段时间后,断开电源,取下纸带; 5. 换纸带重复三次实验,选择一条比较理想的纸带进行测量分析。 1.利用纸带判断小车是否做匀变速直线运动的方法 (1)沿直线运动的小车在连续相等时间间隔的不同时刻的速度分别为 v 1 、 v 2 、 v 3 、 v 4 … ,若 v 2 - v 1 = v 3 - v 2 = v 4 - v 3 = … ,则说明小车在连续相等时间内速度的增量相 等,由此说明小车在做匀变速直线运动,即 a =   =   =   = … 。 (2)沿直线运动的小车在连续相等时间 T 内的位移分别为 x 1 、 x 2 、 x 3 、 x 4 … ,若Δ x = x 2 - x 1 = x 3 - x 2 = x 4 - x 3 = … ,则说明小车在做匀变速直线运动,且Δ x = aT 2 。 四、数据处理 2.速度、加速度的求解方法   说明    由实验数据得出 v - t 图像要注意两点 (1)根据表格中的 v 、 t 数据,在平面直角坐标系中仔细描点,对于每次实验,描 出的几个点都大致落在一条直线上,如图所示。   (2)作一条直线,使同一次实验得到的各点尽量落到这条直线上,落不到直线 上的点,应均匀分布在直线的两侧,这条直线就是本次实验的 v - t 图线,它是一 条倾斜的直线。 五、误差分析 1. 根据纸带测量的位移有误差。 2. 电源频率不稳定,造成相邻两点的时间间隔不完全相等。 3. 纸带运动时打点不稳定引起测量误差。 4. 用作图法作出的 v - t 图像并不是一条直线。 5. 木板的粗糙程度并非完全相同 , 这样测量得到的加速度只能是所测量段的 平均加速度。 六、注意事项 1. 平行:纸带和细绳要和木板平行。 2. 两先两后 : 实验中应先接通电源 , 后让小车运动 ; 实验完毕应先断开电源 , 后 取下纸带。 3. 防止碰撞 : 应让小车在到达长木板末端前停止运动 , 要防止钩码落地和小车 与滑轮相撞。 4. 减小误差 : 小车的加速度要适当大些 , 可以减小测量长度时的误差 , 加速度大 小以能在约 50 cm 的纸带上清楚地取出 6~7 个计数点时为宜。 5. 纸带选取 : 选择一条点迹清晰的纸带 , 舍弃点迹密集部分 , 适当选取计数点。 6. 准确作图:在坐标纸上,纵、横轴选取合适的单位(避免所描点过密或过疏 而导致误差过大),仔细描点连线,不能连成折线,应作一条直线,让各点尽量落 到这条直线上,落不到直线上的各点应均匀分布在直线的两侧。 考点突破 考点一　实验原理与数据处理 1. 根据纸带上两点间的位移Δ x 和时间Δ t ,算出纸带在这两点间的平均速度 v =   。在要求不是很高的情况下,可以用这个平均速度粗略地表示物体在经过 位移Δ x 内某一位置时的瞬时速度。 2.用图像表示速度 物体运动的速度与时间的关系也可以用图像描述。以速度 v 为纵轴、时间 t 为横轴在方格纸上建立直角坐标系。根据实验中的 v 、 t 数据,在坐标系中描 点。再用一条平滑曲线来“拟合”坐标系中描出的点,这条曲线反映了速度 v 与时间 t 的关系,如图所示。 3.实验中计算加速度的三种方法 (1) v - t 图像法:先根据匀变速直线运动中,物体在某段时间的中间时刻的瞬时 速度等于物体在这段时间内的平均速度,即 v n =   ,求出打第 n 个点时纸带 的瞬时速度,然后作出 v - t 图像,图像的斜率即小车运动的加速度。 (2)公式法:利用已测得的两组数据( t n , v n )和( t m , v m )代入公式 a =   =   求解,这 种方法计算得出的结果误差较大。 (3)根据Δ x = aT 2 求 a :如图所示的纸带,相邻两点的时间间隔为 T ,且满足 x 6 - x 5 = x 5 - x 4 = x 4 - x 3 = x 3 - x 2 = x 2 - x 1 ,即 a 1 =   , a 2 =   , a 3 =   ,然后取平均值,即   =   , 这样可使所给数据全部得到利用,以提高准确性。 例1 　某同学在“用打点计时器测速度”的实验中,用打点计时器记录了被 小车拖动的纸带的运动情况,在纸带上确定出 A 、 B 、 C 、 D 、 E 、 F 、 G 共7个 计数点。相邻计数点间的距离如图所示,每两个相邻的计数点之间的时间间 隔为0.1 s,实验用电源频率为50 Hz。(本题计算结果均保留3位有效数字) (1)在实验中,使用打点计时器时应先 　　　     再 　　　     (填“释放纸带” 或“接通电源”)。 (2)每两个计数点间还有 　　　     个点没有标出。 (3)试根据纸带上各个计数点间的距离,每隔0.1 s测一次速度,计算出打下 B 、 C 、 D 三个点时小车的瞬时速度,并将各个速度值填入表中。 v B v C v D v E v F 数值(m/s) 0.640 0.721 (4)将 B 、 C 、 D 、 E 、 F 各个时刻的瞬时速度标在下图直角坐标系中,并画出小车的瞬时速度随时间变化的关系图线。   答案 　(1)接通电源　释放纸带　(2)4 (3)0.400　0.479　0.560　(4)如解析图所示。 解析 　(1)在实验中,使用打点计时器操作步骤应先接通电源,再释放纸带; (2)每两个计数点间还有 n =   -1=   -1=4个点没有标出 (3)根据某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度知, v B =   m/s=0.400 m/s v C =   m/s=0.479 m/s v D =   m/s ≈ 0.560 m/s (4)速度-时间图线如图所示。   易错提醒 (1)对纸带进行测量时,不要分段测量各段的位移,正确的做法是一次测量完 毕,可统一测量出各个测量点到起始点 O 之间的距离。 (2)读数时应估读到刻度尺最小刻度的下一位。 (3)有时要每隔四个点取一个计数点,此时注意两点间的时间间隔是0.1 s而不 是0.02 s。 (4)计算某点的瞬时速度时,Δ x 、Δ t 应取此计数点前、后两个点之间的位移和 时间,即 v =   。 (5)注意打出的原始的点和计数点的区别。 (6)学会绘制速度-时间图像,点大致在一条直线上的用直线拟合,不能用折线,要延长一下,交到坐标轴上。图像不一定过原点。 变式1 　打点计时器是高中物理中重要的实验仪器,如图甲、乙所示是高中 物理实验中常用的两种,请回答下面的问题。 甲 　　       乙   (1)甲图是 　　　     打点计时器,电源采用的是 　　　     。 (2)乙图是 　　　     打点计时器,电源采用的是 　　　     。 (3)已知打点计时器所用交流电源的频率是 f ,用它记录一个运动小车的位移 情况,打出的一条纸带和已选好的计数点0、1、2、3、4如图丙所示。某同 学测量出1、2两点间的距离为 x 12 ,3、4两点间的距离为 x 34 ,由此可计算出1、2 两点间的平均速度为 　　　     ,3、4两点间的平均速度为 　　　     。 答案 　(1)电磁　6 V以下交流电源 (2)电火花　220 V交流电源 (3)          解析 　打点周期 T =   ,1、2两点间和3、4两点间的时间间隔 t =4 T =   ,故 v 12 =   =   , v 34 =   =   。 考点二　测量速度的其他方法 　　光电门测速原理:被测物体与遮光条相连,一旦光线被遮光条挡住,遮挡 的时间间隔能被光电门测出来。根据 遮光条的宽度 d 和测得的遮光时间Δ t , 就可以求出极短时间内的平均速度, 这个平均速度可以认为就是所测物 体运动到光电门位置的瞬时速度。 图:光电门 图:光电门测速原理图 在光电门2位置处的瞬时速度: v 2 =   运动物体整个过程中的加速度: a =   或 a =   注: d 是挡光条宽度(窄好), s 是两次挡光距离间隔(宽好),Δ t 2 是第二次挡光时间, Δ t 1 是第一次挡光时间,   为初速度,   为末速度。测结果量比实际值偏大。 在光电门1位置处的瞬时速度: v 1 =   例2 　为测量做匀加速直线运动小车的加速度,将宽度均为 b 的挡光片 A 、 B 固 定在小车上,测得二者间距为 d 。 (1)当小车匀加速经过光电门时,测得两挡光片先后经过的时间Δ t 1 和Δ t 2 ,则小 车加速度 a = 　　　     。 (2)为减小实验误差,可采取的方法是   (　　) A.增大两挡光片宽度 b B.减小两挡光片宽度 b C.增大两挡光片间距 d D.减小两挡光片间距 d 答案 　(1)   　(2)BC 解析 　(1)由速度位移公式可得 a =   (2)减小误差的方式有两个,减小挡光片宽度和增大两挡光片的间距。 变式2 　如图甲所示是某同学探究加速度与力的关系的实验装置。他在气垫 导轨上安装了一个光电门 B ,在滑块上固定一遮光条,滑块用细线绕过气垫导 轨左端的定滑轮与力传感器相连(力传感器可测得细线上的拉力大小),力传 感器下方悬挂钩码,每次滑块都从 A 处由静止释放。 (1)该同学用游标卡尺测量遮光条的宽度 d ,如图乙所示,则 d = 　　　     mm。 (2)下列不必要的一项实验要求是 　　　     。 A.将气垫导轨调节水平 B.使 A 位置与光电门间的距离适当大些 C.使细线与气垫导轨平行 D.使滑块质量远大于钩码和力传感器的总质量 (3)实验时,将滑块从 A 位置由静止释放,由数字计时器读出遮光条通过光电门 B 的时间 t ,测量出滑块在 A 位置时遮光条到光电门 B 的距离 L ,则滑块的加速度 a = 　　　     。 (4)为探究滑块的加速度与力的关系,改变钩码的质量,测出对应的力传感器 的示数 F 和遮光条通过光电门的时间 t ,通过描点要作出它们的线性关系图像, 处理数据时纵轴为 F ,横轴应为 　　　     。 A. t 　    B. t 2 　    C.   　    D.   答案 　(1)2.30　(2)D　(3)   　(4)D 解析 　(1)由题图知第6条刻度线与主尺刻度线对齐, d =2 mm+6 × 0.05 mm= 2.30 mm; (2)应将气垫导轨调节水平,使拉力等于合力,故A必要;应使 A 位置与光电门间 的距离适当大些,有利于减小误差,故B必要;要保持细线方向与气垫导轨平面 平行,拉力才等于合力,故C必要;拉力是直接通过传感器测量的,故滑块质量 和钩码及力传感器的总质量大小无关,故D不必要。 (3)由题意可知, v 2 =2 aL , v =   ,解得 a =   (4)设实验中滑块质量 M 保持不变,根据牛顿第二定律得 a =   ,则   =   ,即 F =   ·   ,所以研究滑块的加速度与力的关系,处理数据时应作出 F -   图像。 故选D。