【物理】2019届一轮复习人教版实验：探究小车速度随时间变化的规律学案 9页

第四讲 实验：探究小车速度随时间变化的规律 物理核心素养 一、 物理观念 ‎ ‎1.能熟练使用打点计时器。‎ ‎2.会根据相关实验器材，设计实验并完成操作。‎ ‎3.会处理纸带求各点瞬时速度 。‎ ‎4.设计表格并用表格处理数据。‎ ‎5.会用v-t图像处理数据，表示运动规律 ‎6.掌握图象的一般方法，并能用语音描述运动的特点。‎ 二、 学思维、 学探究 ‎1、初步学习根据实验要求，设计实验，探究某种规律的研究方法。‎ ‎2、经历实验过程，及时发现问题并做好调整。‎ ‎3、初步学会根据实验数据发现规律的探究方法。‎ 三、 学态度与责任 ‎1、体会实验的设计思路，体会物理学的研究方法。‎ ‎2、培养根据实验结 果作出分析判断并得出结论。‎ 学习重点：‎ 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图象处理实验数据，并据此判断物体的运动性质．‎ ‎(4)能根据实验数据求加速度．‎ 学习难点：‎ 实验原理 ‎1．瞬时速度的计算：各计数点的瞬时速度可用以该点为中间时刻的一段时间内的平均速度来代替：vn＝ ‎2．根据v－t图象判断运动性质：用描点法可作出小车的v－t图象，根据图象的形状可判断小车的运动性质。‎ ‎3．加速度的计算：利用v－t图象的斜率求出小车的加速度。‎ 知识点梳理：‎ 实验器材 打点计时器、一端附有滑轮的长木板、小车、纸带、复写纸片、细绳、钩码、刻度尺、导线、交流电源。‎ 实验步骤 ‎1．如图所示，把附有滑轮的长木板放在实验桌上，并使滑轮伸出桌面，把打点计时器固定在长木板上没有滑轮的一端，连接好电路。‎ ‎2．把一条细绳拴在小车上，使细绳跨过滑轮，下边挂上钩码，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．把小车停在靠近打点计时器处，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。‎ ‎4．换上新的纸带，重复实验两次。‎ ‎5．增减所挂钩码，按以上步骤再做两次实验。‎ 数据处理 ‎1．纸带的选取 从三条纸带中选择一条比较理想的纸带，舍掉开头一些过于密集的点，在后面便于测量的地方找一个开始点来确定计数点．‎ 说明：为了计算方便和减小误差，通常用连续打5个点的时间作为时间间隔，即T＝0.1 s.‎ ‎2．采集数据的方法 如图所示，一般不是直接测量相邻两个计数点间的距离，而是先测量出各个计数点到计时零点的距离x1、x2、x3、x4、x5，再计算出相邻的两个计数点的距离．‎ Δx1＝x1，Δx2＝x2－x1，Δx3＝x3－x2，Δx4＝x4－x3，Δx5＝x5－x4.‎ ‎3．速度的计算方法 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)‎ ‎4．设计表格并记录相关数据 将各计数点对应的时刻及瞬时速度填入下表中，并据此分析速度随时间的变化关系.‎ ‎5.作出小车运动的v－t图象 ‎(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．‎ ‎6．实验中计算加速度的两种方法 ‎(1)公式法：利用已测得的两组数据(tn，vn)和(tm，vm)代入公式a＝＝求解．‎ ‎(2)图象法：在v－t图象上任意取两个间隔较远的点(这两个点不是我们表格中已测得的点)，找出它们的坐标值，然后把它们的坐标值代入公式a＝＝中求出加速度，即用图线的斜率求加速度．‎ 误差分析 ‎1．木板的粗糙程度不同，摩擦不均匀．‎ ‎2．根据纸带测量的位移有误差，从而计算出的瞬时速度有误差．‎ ‎3．作v－t图象时单位选择不合适或人为作图不准确带来误差．‎ 实验注意事项 ‎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，计时器工作后，再放开小车，当小车停止运动时及时断开电源。‎ ‎3．要防止钩码落地和小车跟滑轮相撞，当小车到达滑轮前及时用手按住它。‎ ‎4．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，而使各段位移无多大差别，从而使误差增大，加速度的大小以能在50cm长的纸带上清楚地取得六、七个计数点为宜。‎ ‎5．要区别计时器打出的点与人为选取的计数点，一般在纸带上每隔四个点取一个计数点，即时间间隔为T＝0.02×5s＝0.1s。‎ ‎6．不要分段测量各段位移，应尽可能地一次测量完毕(可先统一量出各计数点到计数起点O之间的距离)。读数时应估读到毫米的下一位。‎ ‎7．描点时最好用坐标纸，在纵、横轴上选取合适的单位，用细铅笔认真描点。‎ 特别提醒 处理纸带六大注意 本实验很重要的一个实验目的是学会用打上点的纸带研究物体的速度随时间变化的规律．纸带上各点表示和纸带相连的物体在不同时刻的位置，通过研究纸带上各点之间的间隔，可以判断物体的运动情况．因此，会处理纸带是一项基本功，处理纸带需注意以下几点：‎ ‎1.区别打点计时器打出的点与人为选取的计数点．‎ ‎2.区别打点计时器打点的周期(即两个相邻实际点的时间间隔)与两个计数点间的时间间隔．‎ ‎3.为了减小实验误差，应舍掉开头比较密集的点，从间距较大的点开始进行测量．‎ ‎4.为了方便测量，可以用每打5个点间隔的时间作为计时单位，这样，在两个计数点间的时间间隔为T＝5×0.02 s＝0.1 s.‎ ‎5.以能在50 cm长的纸带上清楚地取到7 8个计数点为宜，必须注意，计数点不能少于6个．‎ ‎6.在测量各段位移时，不要逐段测量各段的位移，应该用长刻度尺一次测量分段读数，以避免多次移动刻度尺造成累积误差；还应注意，读数时应读到毫米的下一位.‎ 核心突破：‎ ‎[例1] 在研究匀变速直线运动的实验中，某同学操作以下实验步骤，‎ 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平板上，并接好电路 C.把一条细绳拴在小车上，细绳跨过定滑轮，下面吊着适当重的钩码 D.取下纸带 E.将平板一端垫高，轻推小车，使小车能在平板上做匀速运动 F.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(遗漏步骤可编上序号G、H……)：‎ ‎ ‎ ‎ 。‎ ‎(3)将以上步骤完善后写出合理的步骤顺序：‎ ‎ ‎ ‎ 。‎ 解析　(1)步骤A中应先通电，再放纸带，顺序不能颠倒；D中取下纸带前应先断开电源。‎ ‎(2)遗漏的步骤G：换上新纸带，重复实验三次。‎ ‎(3)步骤完善后，合理的实验步骤顺序为：BFECADG。‎ 答案　(1)A中应先通电，再放纸带；D中取下纸带前应先断开电源 ‎(2)G：换上新纸带，重复实验三次 ‎(3)BFECADG ‎[针对训练1] 用如图1所示的装置做“探究小车速度随时间变化的规律”实验，下列做法正确的是(　　)‎ 图1‎ A.小车从靠近定滑轮处释放 B.先启动计时器，再释放小车 C.实验前要平衡小车受到的阻力 D.电火花计时器接学生电源直流输出端 解析　在释放小车前，小车应尽量靠近打点计时器，远离滑轮处，以便在纸带上打出更多的点，有利于实验数据的处理和误差的减小，A错误；实验中为了在纸带上打出更多的点，也为了打点的稳定，应先启动打点计时器，然后释放小车，B正确；该实验不需要平衡小车受到的阻力，C错误；电火花计时器接220 V交流电源，D错误。‎ 答案　B ‎ ‎ 对点自测 ‎1.在探究小车速度随时间变化规律的实验中。‎ ‎(1)电磁打点计时器是一种使用 (填“交流”或“直流”)电源的仪器。当所接电源频率是50 H 时，它每隔 s打一次点。‎ ‎(2)接通电源与释放纸带，让纸带(随小车)开始运动，操作正确的是 。‎ A.先接通电源，后释放纸带 B.先释放纸带，后接通电源 C.释放纸带的同时接通电源 D.先接通电源或先释放纸带都可以 解析　(1)电磁打点计时器是使用交流电源的计时仪器，当电源的频率为50 H 时，它每隔0.02 s打一次点。‎ ‎(2)开始记录时，应先给打点计时器通电打点，然后释放纸带让纸带(随物体)开始运动，如果先放开纸带开始运动，再接通打点计时器的电源，由于重物运动较快，不利于数据的采集和处理，会对实验产生较大的误差；同时先打点再释放纸带，可以使打点稳定，提高纸带利用率，可以使纸带上打满点。‎ 答案　(1)交流　0.02　(2)A ‎2.在“研究匀变速直线运动”的实验中，使用电磁打点计时器(所用交流电的频率为50 H )，得到如图5所示的纸带。图中的点为计数点，相邻两计数点间还有四个点未画出来，下列表述正确的是(　　)‎ 图5‎ A.实验时应先放开纸带再接通电源 B.从纸带上不可能求出计数点C对应的速率 C.从纸带上可以求出计数点B对应的速率 D.相邻两个计数点间的时间间隔为0.02 s 解析　在“研究匀变速直线运动”的实验中，实验时应先接通电源再放开纸带，A错误；根据C点为B与D的中间时刻点有vC＝，B错误；同理，C正确；由于相邻的计数点之间还有4个点没有画出，所以时间间隔为0.1 s，D错误。‎ 答案　C ‎3.在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，得到如图6所示的纸带，其中A、B、C、D、E、F、G为计数点，相邻两计数点间的时间间隔为T，x1、x2、x3、x4、x5、x6分别为AB、BC、CD、DE、EF、FG间的位移，下列可用来计算打D点时小车速度的表达式中误差最小的是(　　)‎ 图6‎ A. B. C. D. 解析　瞬时速度可用以该点为中间时刻的一段时间内的平均速度来代替：vn＝，而且所选时间段不宜过长，选项B正确。‎ 答案　B ‎4.在实验中，利用纸带上的数据得出各计数点的瞬时速度后，以速度v为纵轴，以时间t为横轴建立直角坐标系。某次实验中某同学描出的点如图7所示。在直角坐标系上一共描出了10个点。下列思考有道理的是(　　)‎ 图7‎ ‎①这10个点无论如何也不在一条直线上，因此小车运动的v－t图象 不可能为一条直线，而应为一条光滑的曲线 ‎②这10个点中有8个点虽然不在一条直线上，但它们都在一条直线附近，只有F和B两点离这条直线太远 ‎③在10个点当中只有4个点能画在一条直线上(A、D、G、I)，有6个点不在该直线上，这条直线肯定不能表示小车运动的规律 ‎④与直线偏差较小的点(C、E、H、J)可能是实验误差造成的，而与直线偏离较大的点(B、F)则可能是实验中出现错误造成的 A.①③ B.②④ ‎ C.①② D.③④‎ 解析　考虑有误差，才不可能在一直线上，而偏离直线太远，则不属于误差，而是错误。而若理想化，则这些点应在一直线上，①③错误，②④正确。故选B。‎ 答案　B ‎5.如图8所示，某同学在做“研究小车速度随时间的变化规律”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的时间间隔为T＝0.10 s，其中x1＝7.05 cm，x2＝7.68 cm、x3＝8.33 cm、x4＝8.95 cm、x5＝9.61 cm、x6＝10.26 cm。‎ 图8‎ ‎(1)求计数点3处的瞬时速度的大小；‎ ‎(2)作出小车运动的速度—时间图象，由图象求小车运动的加速度。‎ 解析　(1)计数点3的瞬时速度 v3＝＝ m/s≈0.86 m/s，‎ ‎(2)同理可求 v1＝＝ m/s≈0.74 m/s，‎ v2＝＝ m/s≈0.80 m/s，‎ v4＝＝ m/s≈0.93 m/s，‎ v5＝＝ m/s≈0.99 m/s。‎ 以纵轴表示速度，以横轴表示时间，描点连线如图所示。‎ 由图象可以看出，小车的速度随时间均匀增加，其运动的加速度可由图线求出，即a＝＝0.63 m/s2(0.62 0.64 m/s2均可)。‎ 答案　(1)0.86 m/s　(2)图见解析　0.63 m/s2‎