人教版（2019）高中物理必修 第二章 實驗探究小車速度隨時間變化的規(guī)律

物理觀念:能理解位移、速度和加速度的內(nèi)涵,能用公式、圖像等方法描述勻變速直線運動;能用勻變速直線運動的規(guī)律解釋生活中的一些現(xiàn)象。具有與直線運動相關(guān)的初步的運動觀念?？茖W(xué)思維:能在特定情境中運用勻變速直線運動模型解決問題;能對常見的勻變速直線運動問題進行分析,能用科學(xué)研究中的極限方法分析物理問題,通過推理,獲得結(jié)論;具有尋找證據(jù)的意識;有從不同角度檢驗結(jié)論的意識?？茖W(xué)探究:能完成“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”等物理實驗;能發(fā)現(xiàn)并提出物理問題;能根據(jù)已有實驗方案,使用打點計時器等器材收集數(shù)據(jù),會妥善保存原始信息;能分析紙帶記錄的信息,形成初步的結(jié)論,分析實驗中的誤差;能參考教科書內(nèi)容撰寫簡單的實驗報告?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任:能結(jié)合近代實驗科學(xué)產(chǎn)生的背景,初步認識實驗對物理學(xué)發(fā)展的推動作用;知道學(xué)習(xí)物理需要實事求是,有與他人合作的意愿;知道實驗器材的改進能促進人們認知的發(fā)展。1實驗:探究小車速度隨時間變化的規(guī)律一、數(shù)據(jù)處理1.紙帶的選取和處理(1)多條紙帶中選取一條點跡清晰且點跡排成直線的紙帶進行處理。(2)舍掉開頭一段過于密集的點,找一個適當?shù)狞c作計時起點,為了減少測量誤差和便于計算,每隔4個計時點選取一個計數(shù)點進行測時,相鄰計數(shù)點的時間間隔為0.1秒。(3)測量距離時從選取的計時起點到各個計數(shù)點的距離。2.數(shù)據(jù)處理(1)表格法①從幾條紙帶中選擇一條比較理想的紙帶,舍掉開頭一些比較密集的點,在后面便于測量的地方找一個開始點,作為計數(shù)始點,以后依次每五個點取一個計數(shù)點,并標明0、1、2、3、4…,測量各計數(shù)點到0點的距離x,并記錄填入表中。位置編號012345時間t/sx/mv/(m·s-1)②分別計算出相鄰的兩計數(shù)點之間的距離Δx1、Δx2、Δx3…。③利用一段時間內(nèi)的平均速度等于這段時間中間時刻的瞬時速度求得各計數(shù)點1、2、3、4、5的瞬時速度,填入上面的表格中。④根據(jù)表格的數(shù)據(jù),分析速度隨時間的變化情況。(2)圖像法①在坐標紙上建立直角坐標系,橫軸表示時間,縱軸表示速度,并根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)在坐標系中描點。②畫一條直線,讓這條直線通過盡可能多的點,不在線上的點均勻分布在直線的兩側(cè),偏差比較大的點舍去,如圖所示。③觀察所得到的直線,分析物體的速度隨時間的變化規(guī)律。④根據(jù)所畫v-t圖像求出小車運動的加速度a=Δv二、誤差分析產(chǎn)生原因減小方法偶然誤差根據(jù)紙帶測量的位移有誤差測量各計數(shù)點到起始點的距離,而不是直接測量相鄰計數(shù)點間的距離描點作圖不準確坐標軸的單位長度選取合適,使圖像盡量分布在較大的坐標平面內(nèi)系統(tǒng)誤差長木板的粗糙程度不完全相同盡量選用粗糙程度均勻的長木板三、注意事項1.開始釋放小車時,應(yīng)使小車靠近打點計時器。2.先接通電源,計時器穩(wěn)定工作后,再放開小車,當小車停止運動時及時斷開電源。3.要防止槽碼落地,防止小車跟滑輪相撞,當小車到達滑輪前及時用手按住它。4.牽引小車的槽碼個數(shù)要適當,以免加速度過大而使紙帶上的點太少,或者加速度太小而使各段位移無多大差別,從而使誤差增大,加速度的大小以能在50cm長的紙帶上清楚地取得6、7個計數(shù)點為宜。5.要區(qū)別計時器打出的點與人為選取的計數(shù)點,一般在紙帶上每隔四個點取一個計數(shù)點,即時間間隔為T=0.02×5s=0.1s。6.不要分段測量各段位移,應(yīng)盡可能地一次測量完畢(可先統(tǒng)一量出各計數(shù)點到計時起點O之間的距離)。讀數(shù)時應(yīng)估讀到毫米的下一位。7.描點時最好用坐標紙,在橫、縱坐標軸上選取合適的單位,用細鉛筆認真描點。類型一實驗操作[例1]在“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”實驗中,某同學(xué)進行了以下實驗操作步驟,試找出其中的錯誤和遺漏的步驟(遺漏步驟可編上序號G、H…)。A.將打點計時器固定在長木板無滑輪一端,并接好電路。B.拉住紙帶,將小車移到靠近打點計時器的一端后,放開紙帶,再接通電源。C.把一條細繩拴在小車上,細繩跨過定滑輪,下面掛上適當?shù)牟鄞a。D.取下紙帶,再斷開電源。E.將紙帶固定在小車尾部,并穿過打點計時器的限位孔。F.從所打的紙帶中選取理想的紙帶進行測量分析。錯誤和遺漏:①;

②;

③。

正確的操作步驟順序為。

解析:正確的實驗步驟是:把長木板平放在實驗桌上,并使滑輪伸出桌面,把打點計時器固定在長木板沒有滑輪的一端,并連好電路,把一條細繩拴在小車上,細繩跨過定滑輪,另一端掛上合適的槽碼,把穿過打點計時器的紙帶固定在小車后面,使小車停在靠近打點計時器處,先接通電源,再放開小車,讓小車運動,打完一條紙帶,斷開電源,取下紙帶,換上新紙帶,再重做兩次。即順序為AECBDGF。答案:B中應(yīng)先接通電源,再放開紙帶D中應(yīng)先斷開電源,再取下紙帶G換上新紙帶,重復(fù)實驗兩次AECBDGF類型二數(shù)據(jù)處理[例2]一小球在桌面上從靜止開始做加速直線運動,現(xiàn)用高速攝影機在同一底片上多次曝光,記錄下小球每次曝光的位置,并將小球的位置編號。如圖甲所示,1位置恰為小球剛開始運動的瞬間,作為零時刻。攝影機連續(xù)兩次曝光的時間間隔均相同。(1)小球從1位置到6位置的運動過程中經(jīng)過各位置的速度如表所示,將表中的數(shù)據(jù)補充完整。計數(shù)點序號12345速度vn/(m·s-1)v1=0v2=0.06v3=

v4=0.18v5=

(2)在圖乙所示的坐標紙上作出小球的速度—時間圖像(保留描點痕跡)。(3)由v-t圖像可知小球運動的規(guī)律:速度隨時間。

解析:(1)因為x1+x2=0.060m,且v2=0.060m2T=0.06m/s,所以T=0.5s,因為x2+x3=0.120m,則v3=x2+x32T=0.(2)根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)作出小球的v-t圖像如圖所示。(3)小球運動的v-t圖像是一條斜向上的直線,表示小球的速度隨時間均勻增加。答案:(1)0.120.24(2)圖見解析(3)均勻增加課時作業(yè)1.關(guān)于“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”的實驗操作,下列說法錯誤的是(D)A.把長木板平放在實驗桌上,使滑輪伸出桌面,把打點計時器固定在長木板沒有滑輪的一端B.在釋放小車前,小車應(yīng)靠近打點計時器C.應(yīng)先接通電源,待打點計時器開始打點并穩(wěn)定后再釋放小車D.槽碼的質(zhì)量越大越好解析:把長木板平放在實驗桌上,使滑輪伸出桌面,把打點計時器固定在長木板沒有滑輪的一端,這樣可以有效利用紙帶,故A正確;在釋放小車前,小車應(yīng)靠近打點計時器,讓小車從遠離滑輪端開始運動,可以盡可能地打更多的點,故B正確;為了打點穩(wěn)定,應(yīng)先接通電源,待打點計時器開始打點并穩(wěn)定后再釋放小車,故C正確;如果槽碼質(zhì)量太大,小車運動的加速度過大,打出的點較少,不利于實驗數(shù)據(jù)處理,所以槽碼的質(zhì)量適中即可,不是越大越好,故D錯誤。2.在探究小車速度隨時間的變化規(guī)律的實驗中,算出小車經(jīng)過各計數(shù)點瞬時速度如表所示:計數(shù)點序號123456計數(shù)點對應(yīng)的時刻/s0.100.200.300.400.500.60通過計數(shù)點的速度/(cm·s-1)44.062.081.0100.0110.0168.0為了計算加速度,合理的方法是(C)A.根據(jù)任意兩計數(shù)點的速度用公式a=ΔvB.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出vt圖像,量出其傾角,由公式a=tanα求出加速度C.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出vt圖像,由圖線上相距較遠的兩點所對應(yīng)的速度、時間,用公式a=ΔvΔD.依次算出通過連續(xù)兩計數(shù)點間的加速度,算出平均值作為小車的加速度解析:方法A偶然誤差較大。方法D實際上也僅由始末兩個速度決定,偶然誤差也比較大。只有利用實驗數(shù)據(jù)畫出對應(yīng)的vt圖像,才可充分利用各次測量數(shù)據(jù),減少偶然誤差。由于在物理圖像中,兩坐標軸的分度大小往往是不相等的,根據(jù)同一組數(shù)據(jù),可以畫出傾角不同的許多圖線,方法B是錯誤的。正確的方法是根據(jù)圖線找出不同時刻所對應(yīng)的速度值,然后利用公式a=ΔvΔ3.某同學(xué)用打點計時器做“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”實驗。他按圖所示安裝好實驗器材,連接好導(dǎo)線,準備打開電源開關(guān)進行實驗。他所組裝器材中有三處錯誤,請你指出:①;

②;

③。

解析:由題圖可看出,打點計時器所選電源錯誤,應(yīng)選4～6V的交流電源,電壓選擇2V擋位偏低,不能正常工作,要選4～6V電壓;應(yīng)接交流輸出,不能接直流輸出。為了充分利用紙帶,實驗開始前,應(yīng)該使小車靠近打點計時器,而不是靠近滑輪。答案:電壓不應(yīng)選2V擋位,應(yīng)選4～6V擋位不應(yīng)接直流輸出,應(yīng)接交流輸出小車不應(yīng)靠近滑輪處,應(yīng)靠近打點計時器處4.在“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”實驗中,用打點周期為0.02s的打點計時器記錄小車做勻變速直線運動的紙帶如圖所示,在紙帶上選擇0、1、2、3、4、5共六個計數(shù)點,相鄰兩計數(shù)點之間還有四個點未畫出,紙帶旁并排放著分度值為1毫米的刻度尺,零刻度線跟“0”計數(shù)點對齊。由圖可以讀出三個計數(shù)點1、3、5跟0點的距離d1、d2、d3。(1)讀出距離:d1=1.20cm,d2=cm,d3=cm。

(2)計算小車通過計數(shù)點2時的瞬時速度v2=m/s。(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)

解析:(1)由題圖可知d2=5.40cm,d3=12.00cm。(2)小車通過計數(shù)點2的瞬時速度可用1、3間的平均速度表示,則v2=(d答案:(1)5.4012.00(2)0.215.如圖甲所示,用打點計時器記錄小車的運動情況。小車開始在水平玻璃板上運動,后來在薄布面上做減速運動。所打出的紙帶及相鄰兩點間的距離(單位:cm)如圖乙所示,紙帶上相鄰兩點間對應(yīng)的時間間隔為0.02s。(1)計算計時器打出點2、3時小車的速度大小,填入表中。計數(shù)點序號12345速度vn/(m·s-1)v1=0.75v2=

v3=

v4=0.45v5=0.35(2)在平面直角坐標系中作出小車在薄布上運動的vt圖像。(3)求出小車在玻璃板上的運動速度大小。解析:(1)根據(jù)題圖乙可得v2=(1.4+1(1(2)以速度為縱坐標,以時間為橫坐標建立直角坐標系。用描點法作出小車在薄布上做減速運動的vt圖像。將圖線延長,使其與縱軸相交,如圖所示。(3)由圖像可知,小車做減速運動的初速度為0.85m/s,即為小車在玻璃板上的運動速度大小。答案:(1)0.650.55(2)圖見解析(3)0.85m/s6.某班同學(xué)利用電火花計時器做“探究小車速度隨時間的變化規(guī)律”的實驗。(1)①電火花計時器是一種使用的計時儀器,本實驗還需要的測量工具有。A.天平 B.秒表C.毫米刻度尺 D.交流電源E.直流電源②使用電火花計時器時,接通電源與讓紙帶隨小車開始運動這兩個操作過程的操作順序,應(yīng)該是。

A.先接通電源,后釋放紙帶B.先釋放紙帶,后接通電源C.釋放紙帶的同時接通電源D.哪個先,哪個后都可以③甲同學(xué)利用如圖a所示的裝置做實驗時,記錄了下列實驗步驟。合理的操作順序是。

A.把紙帶穿過電火花計時器,并把紙帶的一端固定在小車的后面。用一條細繩拴在小車上,使細繩繞過滑輪,下邊掛上合適的槽碼。B.把附有滑輪的長木板平放在實驗桌上,并使滑輪伸出桌面。把電火花計時器固定在長木板上沒有滑輪的一端,連接好電路。C.把小車停在靠近電火花計時器處,接通電源后,放開小車,讓小車拖著紙帶運動,電火花計時器就在紙帶上打下一行小點,隨后立即關(guān)閉電源。D.換上新紙帶,重復(fù)操作三次。④如圖b,該同學(xué)在實驗中,用電火花計時器打出了一條紙帶,O、A、B、C、D和E為紙帶上六個計數(shù)點,O、D間的距離為cm。

(2)乙同學(xué)在獲取的記錄小車運動信息的紙帶上確定出A、B、C、D、E、F、G共7個計數(shù)點。其相鄰點間的距離如圖c所示,每兩個相鄰的計數(shù)點之間的時間間隔為0.1s。①試根據(jù)紙帶上各個計數(shù)點間的距離,算出打下D點時小車的瞬時速度,并將D點速度值填入下表。(保留兩位有效數(shù)字)時刻/s00.10.20.30.40.5速度vBvCvDvEvF數(shù)值/(m·s-1)0.400.48

0.640.72②利用表中各組速度與時刻的對應(yīng)數(shù)據(jù)作出小車的瞬時速度隨時間變化的關(guān)系圖線。③根據(jù)vt圖線,求得小車運動的加速度a=m/s2,0時刻的初速度vA=m/s。(保留兩位有效數(shù)字)

解析:(1)①電火花計時器需要用交流電源,故選D;打出的紙帶需要用毫米刻度尺測量點與點之間的距離,即小車運動的位移,故選C。②為了有效利用紙帶和保持打點的穩(wěn)定,需要先接通電源后釋放紙帶,故選A。③實驗中先安