高一物理人教版必修1學(xué)案第一章3-第2課時(shí)實(shí)驗(yàn)測量紙帶的平均速度和瞬時(shí)速度

第2課時(shí)實(shí)驗(yàn)：測量紙帶的平均速度和瞬時(shí)速度一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)了解打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的結(jié)構(gòu)、工作原理及使用方法。(2)學(xué)會(huì)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測量物體的速度。(3)能利用v-t圖像分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，描述物體的運(yùn)動(dòng)。二、實(shí)驗(yàn)器材電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(或電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器)、低壓交流電源(電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用220V交流電源)、復(fù)寫紙(或墨粉紙盤)、導(dǎo)線若干、刻度尺、紙帶、坐標(biāo)紙。三、實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)1．兩種打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的對比：電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器結(jié)構(gòu)圖示工作電壓4～6V交流電220V交流電打點(diǎn)方式振針周期性上、下振動(dòng)周期性產(chǎn)生電火花打點(diǎn)周期0.02s(根據(jù)交流電頻率而定)記錄信息位置、時(shí)刻和位移、時(shí)間2.測量平均速度：根據(jù)v＝eq\f(Δx,Δt)可求出任意兩點(diǎn)間的平均速度，Δx是紙帶上兩點(diǎn)間的位移，利用刻度尺測量，Δt是這兩點(diǎn)間的時(shí)間間隔。3．測量瞬時(shí)速度：運(yùn)動(dòng)物體在某一時(shí)刻或某一位置(例如紙帶上某點(diǎn))的瞬時(shí)速度可以粗略地由包含該點(diǎn)在內(nèi)的相距較近的兩點(diǎn)間的平均速度來替代。四、實(shí)驗(yàn)步驟(1)了解打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的結(jié)構(gòu)，然后把它固定在桌子上。(2)把電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的兩個(gè)接線柱用導(dǎo)線與6V的低壓交流電源的接線柱相連接，讓紙帶穿過兩個(gè)限位孔，壓在復(fù)寫紙的下面(或把電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與220V交流電源連接，把紙帶穿好，壓在墨粉紙盤下面)。(3)接通電源開關(guān)，用手水平地拉動(dòng)紙帶，紙帶上就打出一行小點(diǎn)，隨后立即關(guān)閉電源。(4)重復(fù)步驟2、3，獲得3～5條紙帶。(5)選擇一條點(diǎn)跡清晰便于分析的紙帶，往后數(shù)n個(gè)點(diǎn)，n個(gè)點(diǎn)之間的間隔數(shù)為n－1，紙帶從打第1個(gè)點(diǎn)到打第n個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間Δt＝0.02(n－1)s。(6)用刻度尺測量出第1個(gè)點(diǎn)到第n個(gè)點(diǎn)間的位移Δx。實(shí)驗(yàn)中紙帶一般隔幾個(gè)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)？提示：為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，計(jì)數(shù)點(diǎn)要每隔T＝0.1s選一個(gè)，即每隔四個(gè)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，而計(jì)算計(jì)數(shù)點(diǎn)的瞬時(shí)速度時(shí)，Δx、Δt應(yīng)取此計(jì)數(shù)點(diǎn)前、后兩個(gè)點(diǎn)之間的位移和時(shí)間，即v＝eq\f(xn＋xn＋1,2T)。五、數(shù)據(jù)收集處理與誤差分析1．測量紙帶的平均速度：從打第1個(gè)點(diǎn)到打第n個(gè)點(diǎn)，紙帶的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為Δt＝0.02(n－1)s，紙帶的位移為Δx，紙帶的平均速度v＝eq\f(Δx,Δt)。把測量和計(jì)算的結(jié)果填入表中。實(shí)驗(yàn)次數(shù)點(diǎn)數(shù)n點(diǎn)劃分出的間隔數(shù)n－1運(yùn)動(dòng)時(shí)間Δt/s位移Δx/m平均速度v/(m·s－1)122.用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測量瞬時(shí)速度：(1)選取一條點(diǎn)跡清晰便于分析的紙帶。(2)從能夠看清的某個(gè)點(diǎn)開始，每隔四個(gè)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，每兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔T＝5×0.02s＝0.1s。在紙帶上用O、A、B、C、D…標(biāo)出這些“計(jì)數(shù)點(diǎn)”，如圖所示。用刻度尺依次測出OA、OB、OC、OD…的距離是s1、s2、s3、s4…，再利用x1＝s1、x2＝s2－s1、x3＝s3－s2、x4＝s4－s3…確定出OA、AB、BC、CD…之間的位移x1、x2、x3、x4…(3)運(yùn)動(dòng)物體在A、B、C、D…各點(diǎn)的瞬時(shí)速度分別為vA＝eq\f(x1＋x2,2T)、vB＝eq\f(x2＋x3,2T)、vC＝eq\f(x3＋x4,2T)、vD＝eq\f(x4＋x5,2T)…3．用v-t圖像描述物體的速度：(1)以速度v為縱軸，時(shí)間t為橫軸建立直角坐標(biāo)系。(2)根據(jù)不同時(shí)刻的瞬時(shí)速度值，在坐標(biāo)系中描點(diǎn)。(3)用平滑曲線把這些點(diǎn)連接起來，即得到v-t圖像，如圖所示。實(shí)驗(yàn)中如何減小誤差？提示：(1)利用平均速度來代替運(yùn)動(dòng)物體在某計(jì)數(shù)點(diǎn)的瞬時(shí)速度會(huì)帶來系統(tǒng)誤差。為減小誤差，應(yīng)取以計(jì)數(shù)點(diǎn)為中心的較小位移Δx來求平均速度。(2)分段測量計(jì)數(shù)點(diǎn)間的位移會(huì)帶來誤差。減小此誤差的方法是一次測量完成，即一次測出各計(jì)數(shù)點(diǎn)到起始計(jì)數(shù)點(diǎn)O的距離，再分別計(jì)算出各計(jì)數(shù)點(diǎn)間的位移。(3)作圖時(shí)，描點(diǎn)、連線存在偶然誤差，為減小誤差，應(yīng)選取合適的坐標(biāo)單位，利用坐標(biāo)紙作圖。教材原型實(shí)驗(yàn)角度1實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)操作【典例1】研究“用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測速度”的實(shí)驗(yàn)：(1)(多選)實(shí)驗(yàn)中，除電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(含紙帶、復(fù)寫紙)、小車、一端帶定滑輪的長木板、導(dǎo)線及開關(guān)外，在下面的儀器和器材中，必須使用的有__________。(填選項(xiàng)代號)A．電壓合適的50Hz低壓交流電源B．電壓可調(diào)的直流電源C．刻度尺D．秒表E．天平(2)(多選)對于減小實(shí)驗(yàn)誤差來說，下列采取的方法中正確的有__________。A．選取合適的n個(gè)點(diǎn)為計(jì)數(shù)點(diǎn)B．使小車運(yùn)動(dòng)得盡量慢些C．舍去紙帶上密集的點(diǎn)，只利用點(diǎn)跡清晰、點(diǎn)間間隔適當(dāng)?shù)哪且徊糠诌M(jìn)行測量、計(jì)算D．選用各處平整程度、光滑程度相同的長木板做實(shí)驗(yàn)E．實(shí)驗(yàn)時(shí)盡量讓小車遠(yuǎn)離打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，釋放小車后再接通電源【解析】(1)實(shí)驗(yàn)中必須使用的有電壓合適的50Hz低壓交流電源，計(jì)算速度時(shí)需要測量各點(diǎn)間的距離，因此還必須使用刻度尺，故A、C正確。(2)選取合適的n個(gè)點(diǎn)為計(jì)數(shù)點(diǎn)，有利于測量長度，能使平均速度與瞬時(shí)速度更接近，以減小實(shí)驗(yàn)誤差，選項(xiàng)A正確；使小車運(yùn)動(dòng)得盡量慢些，打出的點(diǎn)較密，取點(diǎn)會(huì)較多，會(huì)使實(shí)驗(yàn)誤差較大，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；舍去紙帶上密集的點(diǎn)，只利用點(diǎn)跡清晰、點(diǎn)間間隔適當(dāng)?shù)哪且徊糠诌M(jìn)行測量、計(jì)算，這樣可減小實(shí)驗(yàn)誤差，選項(xiàng)C正確；選用各處平整程度、光滑程度相同的長木板做實(shí)驗(yàn)，可使小車運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，各點(diǎn)的瞬時(shí)速度與實(shí)際更接近，可減小實(shí)驗(yàn)誤差，選項(xiàng)D正確；若小車遠(yuǎn)離打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，且先釋放小車后接通電源，會(huì)造成點(diǎn)密而少，給測量、計(jì)算結(jié)果造成較大誤差，選項(xiàng)E錯(cuò)誤。答案：(1)A、C(2)A、C、D(多選)關(guān)于打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的原理和使用方法，下列說法正確的是()A．打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)接交流電源，交流電源頻率通常為50HzB．如果紙帶上相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間有四個(gè)點(diǎn)，則相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔是0.08sC．如果打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打下的點(diǎn)先密集后稀疏，則說明紙帶的速度由小變大D．電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接在220V電源上【解析】選A、C。打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)接交流電源，交流電源頻率為50Hz，A正確；電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用6V以下的低壓交流電源，D錯(cuò)誤；由于打點(diǎn)計(jì)時(shí)器每隔0.02s打一個(gè)點(diǎn)，所以相鄰計(jì)時(shí)點(diǎn)的時(shí)間間隔為0.02s，如果相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有四個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)，則相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)的時(shí)間間隔應(yīng)為5×0.02s＝0.1s，B錯(cuò)誤；打點(diǎn)時(shí)間是一樣的，點(diǎn)密集的地方速度小，點(diǎn)稀疏的地方速度大，即紙帶的速度由小變大，C正確。角度2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理【典例2】如圖所示是一條利用頻率為50Hz的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶，0、1、2、3、4、5、6是七個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，每相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間還有四個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)未畫出，各計(jì)數(shù)點(diǎn)到0點(diǎn)的距離已在圖上標(biāo)出，求各計(jì)數(shù)點(diǎn)的瞬時(shí)速度并畫出v-t圖像?！窘馕觥?點(diǎn)是0和2間的中間時(shí)刻，求出0和2間的平均速度即可認(rèn)為是1點(diǎn)的瞬時(shí)速度，同理2、3、4、5點(diǎn)的瞬時(shí)速度也可求出。0和6兩個(gè)點(diǎn)的瞬時(shí)速度不便求出，然后畫出圖線，注意相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔T＝0.1s。各段時(shí)間的平均速度作為中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度分別為：v1＝0.195m/s；v2＝0.40m/s；v3＝0.61m/s；v4＝0.69m/s；v5＝0.70m/s答案：見解析創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)【典例3】請同學(xué)幫忙測量你跑一百米的速度，大致描繪你自己跑一百米的v-t圖像。簡要步驟：一名同學(xué)在起點(diǎn)發(fā)令，每隔10m站一名同學(xué)計(jì)時(shí)。發(fā)令后，你起跑的同時(shí)其他10名同學(xué)一起按表計(jì)時(shí)，在你跑過計(jì)時(shí)同學(xué)的同時(shí)，停表。把記錄的數(shù)據(jù)記入表格，再計(jì)算你每跑10m內(nèi)的平均速度。(分小組討論一下，你們需要做哪些準(zhǔn)備工作？例如同學(xué)的分工協(xié)作，發(fā)令計(jì)時(shí)的訓(xùn)練等位置/m0102030405060708090100時(shí)刻/s0【解析】設(shè)記錄的時(shí)間為t1、t2……位置/m0102030405060708090100時(shí)刻/s0t1t2……算出每段10m第幾個(gè)10的位移123……91010m位移內(nèi)的時(shí)間Δt1t2－t1t3－t2…………每段的平均速度eq\x\to(v)＝eq\f(10,Δt)v1v2v3…………將每段的平均速度作為此段時(shí)間中點(diǎn)的瞬時(shí)速度，確定每點(diǎn)的坐標(biāo)，(eq\f(t1,2)，v1)，(eq\f(t2－t1,2)＋t1，v2)，(eq\f(t3－t2,2)＋t2，v3)……描點(diǎn)，連線。答案：見解析【創(chuàng)新角度】(1)結(jié)合生活實(shí)際，研究學(xué)生的運(yùn)動(dòng)。(2)每10米在學(xué)校舉行的秋季運(yùn)動(dòng)會(huì)中，某同學(xué)獲得了高一年級100m賽跑的第一名，他的成績是12.