第1節(jié) 實驗：探究小車速度隨時間變化的規(guī)律

第二章

勻變速直線運動的研究第1節(jié)實驗：探究小車速度隨時間變化的規(guī)律一、本版教材實驗理清楚

實驗目的1．鞏固對打點計時器的使用及利用紙帶求瞬時速度。2．學會用實驗探究小車速度隨時間變化的規(guī)律，學會用v-t圖像處理實驗數(shù)據(jù)。3．探究小車在重物牽引下速度隨時間變化的規(guī)律。

實驗原理1．利用紙帶計算瞬時速度：以紙帶上某點為中間時刻取一小段位移，用這段位移的平均速度表示該點的瞬時速度。2．用v-t圖像表示小車的運動情況：以速度v為縱軸、時間t為橫軸建立直角坐標系，用描點法畫出小車的v-t圖像，圖線的傾斜程度表示加速度的大小，如果v-t圖像是一條傾斜的直線，說明小車的速度隨時間是均勻變化的。

實驗器材打點計時器、交流電源、紙帶、一端帶有滑輪的長木板、小車、細繩、槽碼、刻度尺、坐標紙。

實驗步驟1．如圖所示，把一端帶有滑輪的長木板平放在實驗桌上，并使滑

輪伸出桌面，打點計時器固定在長木板沒有滑輪的一端，連接

好電路。2．把一條細繩拴在小車上，使細繩跨過滑輪，下面掛上適當?shù)牟鄞a，把紙帶穿過打點計時器，并把紙帶的另一端固定在小車的后面。3．把小車停在靠近打點計時器的位置，先接通電源，后釋放小車，讓小車拖著紙帶運動，打點計時器就在紙帶上打下一行小點，隨后立即關閉電源。4．增減所掛的槽碼(或在小車上放置重物)，更換紙帶，再做兩次實驗。

數(shù)據(jù)處理1．測量并記錄數(shù)據(jù)(1)為了便于測量，舍掉紙帶開頭一些過于密集的點，找一個適當?shù)狞c當作計時起點(0點)，每5個點(相隔0.1s)取一個計數(shù)點進行測量，如圖所示(相鄰兩計數(shù)點間還有四個計時點未畫出)。標明0、1、2、3、…，測量各計數(shù)點到0點的距離x1、x2、x3、…，并記錄填入表中。位置編號0123456…t/s00.10.20.30.40.50.6

x/m

v1/(m·s－1)

v2/(m·s－1)

v3/(m·s－1)

…

注意事項1．開始釋放小車時，應使小車靠近打點計時器。2．先接通電源，等打點穩(wěn)定后，再釋放小車。3．打點完畢，立即關閉電源。4．選取一條點跡清晰的紙帶，適當舍棄點跡密集部分，適當選取計數(shù)點(注意計數(shù)點與計時點的區(qū)別)，弄清楚所選的時間間隔T等于多少。5．不要逐次測量各段距離，應盡可能地一次測量完畢。6．在坐標紙上畫v-t圖像時，注意坐標軸單位長度的選取，應使圖像盡量分布在坐標平面中央。二、他版教材實驗多融通(一)魯科版教材實驗方案

[差異解讀]1．實驗器材的不同：讓小車沿斜面在自身重力作用下直接加速下滑。2．實驗原理的不同：根據(jù)各點的瞬時速度和對應時間畫出v-t圖像，由圖線為一條傾斜直線可判定小車沿斜面向下做速度隨時間均勻增大的直線運動。(二)粵教版教材實驗方案

[差異解讀]1．實驗原理的不同：讓小球從某固定位置由靜止釋放，記錄小球經(jīng)過光電門B、C的時間及經(jīng)過兩光電門之間的時間，多次改變光電門C的位置，得出多組數(shù)據(jù)，計算出對應的時刻小球經(jīng)過光電門B、C的瞬時速度，再以小球經(jīng)過兩光電門的時間為橫軸，以小球經(jīng)過光電門的速度為縱軸，作出v-t圖像，從而分析小球沿傾斜直槽運動的速度變化特點。2．實驗器材的改進：(1)用傾斜直槽替代長木板。(2)用光電門和數(shù)字計時器替代打點計時器。(3)用小球替代小車。(三)教科版教材實驗方案

[差異解讀]1．實驗原理的不同：利用傳感器實驗系統(tǒng)，獲取數(shù)據(jù)，通過計算機軟件對數(shù)據(jù)進行處理，獲得一系列的(v、t)數(shù)據(jù)，利用計算機軟件做出v-t圖像，從而獲得小車速度隨時間變化的特點。2．實驗器材的改進：利用位移傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機及力學軌道替代傳統(tǒng)的打點計時器和長木板。3．實驗誤差的縮小：通過位移傳感器和計算機，使實驗數(shù)據(jù)獲得的精度高，數(shù)據(jù)處理迅速。[典例]在“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”的實驗中，某同學操作過程中有以下實驗步驟：A．拉住紙帶，將小車移至靠近打點計時器處，先放開紙帶，再接通電源；B．將打點計時器固定在長木板上，并連接好電路；C．把一條細繩拴在小車上，細繩跨過定滑輪，下邊吊著適當重量的槽碼，放手后看小車能否在木板上做平穩(wěn)的加速運動；D．小車停止運動后，取下紙帶；實驗原理與操作E．把一端附有定滑輪的長木板平放在實驗桌上，并使附有定滑輪的一端伸出桌面；F．將紙帶固定在小車尾部，并穿過打點計時器的限位孔；G．換上新紙帶，重復操作兩次。(1)其中有錯誤的步驟是____________；應改正為________________________________________________________________________________________。(2)將改正后的實驗步驟按合理的順序寫在橫線上：_______________。[解析]

(1)打點計時器在使用時，為了使打點穩(wěn)定，同時為了提高紙帶的利用率，使盡量多的點打在紙帶上，應先接通電源，再放開紙帶，故A錯誤。取下紙帶前，應先斷開電源，故D錯誤。(2)本著先安裝器材，后進行實驗的思路，在該實驗中，應先固定長木板，安裝打點計時器，準備完畢開始進行實驗，注意要先打點后釋放小車，做完一次實驗要及時關閉電源，故正確的實驗步驟是EBCFADG。[答案]

(1)AD

A．應先接通電源，再放開紙帶；D．取下紙帶前應先關閉電源(2)EBCFADG實驗操作的三點提醒(1)開始釋放小車時，應使小車靠近打點計時器。(2)先接通電源，等打點穩(wěn)定后，再釋放小車。(3)打點完畢，立即關閉電源。

[典例]在“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”的實驗中，打點計時器使用的交流電源的頻率為50Hz，記錄小車運動的一段紙帶如圖所示，在紙帶上選擇A、B、C、D、E、F六個計數(shù)點，相鄰兩計數(shù)點之間還有四個點未畫出。(1)由紙帶提供的數(shù)據(jù)求出打下點C、E時小車的速度，填入下表：數(shù)據(jù)處理和誤差分析計數(shù)點序號BCDE對應的時刻t/s00.10.20.3小車的速度v/(m·s－1)0.25

0.45

(2)根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，在下圖中作出小車運動的v-t圖像：(3)根據(jù)作出的v-t圖像，可得小車運動的加速度為________m/s2。[答案]

(1)0.35

0.55

(2)見解析圖(3)1.0數(shù)據(jù)處理的規(guī)范要求(1)處理紙帶時，一定要分清計時點和計數(shù)點，明確計數(shù)點之間的時間間隔T。(2)明確坐標軸的意義并選取合適標度，既要把數(shù)據(jù)標注在坐標系中，又要勻稱直觀，合理分布，大小適中。(3)如果坐標系中的數(shù)據(jù)點大致落在一條直線上，作圖線時應使盡可能多的點落在直線上，不在直線上的點應均勻分布在直線兩側；如果圖線是曲線，要用平滑的曲線連接各點。

1．(實驗器材的創(chuàng)新)某探究小組用自制“滴水計時器”研究小車

在水平桌面上的直線運動。如圖(a)所示，將該計時器固定在

小車旁，用手輕推一下小車，在小車運動過程中滴水計時器

等時間間隔地滴下小水滴。圖(b)記錄了桌面上連續(xù)6個水滴的位置，已知滴水計時器每30s滴下46個小水滴。(1)由圖(b)可知，小車在桌面上的運動方向是____________。(2)該小組同學根據(jù)圖(b)的數(shù)據(jù)判斷出小車的速度隨時間均勻變化。滴水計時器滴下如圖(b)中點A處的水滴時，小車的速度大小為_______m/s，小車運動的加速度大小為_______m/s2。(結果均保留2位有效數(shù)字)創(chuàng)新考查角度和創(chuàng)新思維答案：(1)由右向左(2)0.19

0.0382．(數(shù)據(jù)處理的創(chuàng)新)在“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”的實驗中，打點計時器接在50Hz的低壓交流電源上，某同學在打出的紙帶上每5個點取一個計數(shù)點，共取了A、B、C、D、E、F六個計數(shù)點，如圖甲所示。從每一個計數(shù)點處將紙帶剪開分成五段(分別為a、b、c、d、e段)，將這五段紙帶由短到長緊靠，但不重疊地粘在xOy坐標系中，如圖乙所示，由此可以得到一條表示v-t關系的圖線。(1)請在圖乙中用最簡潔的方法作出能表示v-t關系的圖線(作答在圖上)，其________(選填“x”或“y”)軸相當于v軸。(2)從第一個計數(shù)點開始計時，為求出0.15s時刻的瞬時速度，需要測出________(選填“a、b、c、d、e”中的一個)段紙帶的長度。(3)若測得a段紙帶的長度為2.00cm，e段紙帶的長度為10.00cm，則可求出加速度的大小為________m/s2。答案：(1)見解析圖y

(2)b

(3)2.01．(多選)在“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”實驗中，下列方法中有助于減小實驗誤差的是

(

)A．選取計數(shù)點，把每打5個點的時間間隔作為一個時間單位B．使小車運動的加速度盡量小些C．舍去紙帶上開始時密集的點，只利用點跡清晰、點之間間隔適當?shù)哪且徊糠诌M行測量、計算D．適當增加掛在細繩下槽碼的個數(shù)解析：選取計數(shù)點可以使相鄰點間的距離增大，在用刻度尺測量這些點間的距離時，在一次測量絕對誤差基本相同的情況下，相對誤差較小，A正確；在實驗中如果小車運動的加速度過小，打出的點就很密，長度測量的相對誤差較大，B錯誤；若適當增加掛在細繩下槽碼的個數(shù)，意味著適當增大小車運動的加速度，D正確；為了減小長度測量的相對誤差，舍去紙帶上過于密集的點，C正確。答案：ACD2．小明同學在學習了數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗(DIS實驗)后，設計了一個

測物體瞬時速度的實驗，其裝置如圖所示。在小車上固定擋光片，

使擋光片的前端與車頭平齊，將光電門傳感器固定在軌道側面，

墊高軌道的一端。小明同學將小車從該端同一位置由靜止釋放，獲得了如下幾組實驗數(shù)據(jù)。實驗次數(shù)不同的擋光片通過光電門的時間/s速度/(m·s－1)第一次Ⅰ0.230440.347第二次Ⅱ0.174640.344第三次Ⅲ0.116620.343第四次Ⅳ0.058500.342則以下表述正確的是

(

)①四個擋光片中，擋光片Ⅰ的寬度最小②四個擋光片中，擋光片Ⅳ的寬度最?、鬯拇螌嶒炛?，第一次實驗測得的速度最接近小車車頭到達光電門時的瞬時速度④四次實驗中，第四次實驗測得的速度最接近小車車頭到達光電門時的瞬時速度A．①③

B．②③C．①④

D．②④解析：通過光電門的時間越短，所測速度越接近小車車頭到達光電門時的瞬時速度；由于小車每次從同一位置由靜止釋放，故每次到光電門的速度相同，通過光電門的時間越短，說明擋光片的寬度越小，因此②④正確。答案：D3．用電磁打點計時器、平板(光滑)、小車等器材探究小車速度隨時間變化的規(guī)律，如圖所示是某同學即將釋放小車之前的實驗裝置圖。該裝置圖中有3處明顯錯誤，它們分別是：(1)___________________________________________________________；(2)___________________________________________________________；(3)___________________________________________________________。解析：打點計時器是一種計時儀器，所用電源為交流電源，因此題圖中接直流電源是錯誤的；細線和平板應平行，而題圖中細線和平板不平行，故需要調整它們的位置；實驗開始時，小車應靠近打點計時器，以保證在紙帶上能夠打出足夠多的點，有利于數(shù)據(jù)的處理與分析，而題圖中小車離打點計時器的距離太遠，所以此處是錯誤的，也應該進行調整。答案：(1)細線與平板不平行(2)打點計時器接的是直流電源(3)小車離打點計時器的距離太遠4．在“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”的實驗中，用打點周期為0.02s的打點計時器打出的記錄小車運動的紙帶如圖所示，在紙帶上選擇0、1、2、3、4、5共6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