2019-2020年新教材高中物理 第3章 第2节 匀变速直线运动的实验探究教案 鲁科版必修1

第2节匀变速直线运动的实验探究[学习目标]1．练习使用打点计时器．2.掌握判断物体是否做匀变速直线运动的方法．3.测定匀变速直线运动的加速度．4.学会探究仅在重力作用下物体运动的规律和方法．一、实验原理和方法1．打点计时器(1)结构及特点电火花打点计时器电磁打点计时器结构图示工作电压220V交流电4～6V交流电打点方式周期性产生电火花振针周期性上下振动打点周期0.02s0.02s记录信息位移、时间(2)工作原理：纸带穿过打点计时器在物体带动下运动时，振针的上下振动便会通过复写纸在纸带上留下一系列小点，相邻两点对应的时间为0.02s，相邻两点之间的距离可以用尺子测量，这样打点计时器既记录了时间，又记录了对应的位移．2．频闪照相法及其应用(1)频闪照相法：利用照相技术，每隔一定时间曝光一次，从而形成间隔相同时间的影像的方法．(2)频闪灯：每隔相等时间闪光一次，如每隔0.1s闪光一次，即每秒闪光10次．(3)频闪照片：利用频闪灯照明，照相机可以拍摄出运动物体每隔相等时间所到达的位置，通过这种方法拍摄的照片称为频闪照片．(4)记录信息：物体运动的时间和位移．3．物体是否做匀变速直线运动的判断方法(1)利用平均速度v＝ΔsΔt，当Δt很短时，可以近似认为平均速度ΔsΔt等于t时刻的瞬时速度，利用速度和时间关系判断物体是否做匀变速直线运动．(2)利用Δs＝s2－s1＝s3－s2＝…＝sn－sn－1＝aT2判断物体是否做匀变速直线运动．二、实验器材打点计时器、纸带、复写纸、低压交流电源、小车、垫片、长木板、刻度尺、导线等．三、实验步骤1．将打点计时器固定在长木板的一端，并用垫片垫高此端，使木板倾斜．如图所示．2．连接好打点计时器的电路．(注意此过程中要断开开关)3．将纸带穿过打点计时器，连接在小车后面，并使小车靠近打点计时器．4．闭合电路开关，然后释放小车，打完纸带后立即关闭电源．5．更换纸带，重复操作三次．6．选择一条点迹最清晰的纸带，舍掉开头一些过于密集的点，找一适当的点作为开始点．选择相隔0.1s的若干个计数点进行长度测量，并将数据填入下面表格中．计数点位置编号0123456时间t/s00.10.20.30.40.50.6相邻计数点间的距离s/m对应计数点的速度v/(m·s－1)四、数据处理1．用逐差法求加速度以取六个间隔为例，则a1＝s4－s13T2，a2＝s5－s23T2，a3＝s6－s33T2.加速度的平均值为a＝13(a1＋a2＋a3)＝13s4－s13T2＋s5－s23T2＋s6－s33T2＝19T2[(s4＋s5＋s6)－(s1＋s2＋s3)]．逐差法处理数据求加速度的平均值，好处是各个数据都得到了利用，达到正、负偶然误差充分抵消的作用，使计算结果更接近真实值．2．用v­t图象求加速度(1)在三条纸带中选择一条最清晰的，舍掉开头一些比较密集的点迹，在后边便于测量的地方找一个开始点，为了测量方便和减小误差，通常选择相隔0.1s的若干计数点进行测量，在选好的开始点下面标明0，在第六个点下面标1，在第11个点的下面标2，依此类推，每5个点下面计一个数，这些标数字的点叫作计数点．如图所示，测出两相邻计数点的距离分别为s1、s2、s3…填入下表．位置间隔0～11～22～33～44～5间隔距离s/m(2)根据测量结果，再利用匀变速直线运动的瞬时速度的求解方法，即中间时刻的瞬时速度可以用这段时间内的平均速度来求解，也就是vn＝sn＋sn＋12T可求出打第n个计数点时纸带的瞬时速度，并将瞬时速度的值填入下表．位置编号1234时间t/s速度v/(m·s－1)(3)作出速度—时间图象．在坐标纸上，以速度v为纵轴、时间t为横轴建立直角坐标系．根据上表中的v、t数据，在直角坐标系中描点，如图所示，通过观察、思考，找出这些点的分布规律，然后根据这些点的分布趋向，用一条平滑的曲线(包括直线)连接这些点，并尽量让多数点落在曲线上(或直线上)，不在曲线(或直线)上的点应分布在曲线(或直线)两侧，且两侧的点数大致相同．五、误差分析误差产生原因减小方法偶然误差①纸带上计数点间距离的测量②v­t图作出的并非一条直线①多次测量求平均值②大多数点在线上，不在线上的点尽可能均匀分布在两侧系统误差①小车、纸带运动过程中有摩擦②电源的不稳定性①使用电火花打点计时器②使用稳压电源六、注意事项1．开始释放小车时，应使小车靠近打点计时器．2．应该是先接通电源，等打点稳定后，再释放小车．3．打点完毕，立即断开电源．4．如打出的点较轻或是短线时，应调整振针距复写纸的高度．5．选择一条点迹清晰的纸带，舍弃点密集部分，适当选取计数点，弄清楚时间间隔T.6．每打好一条纸带，将定位轴上的复写纸换个位置，以保证打点清晰．7．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开始点之间的距离)．读数时应估读到毫米的下一位．8．要区分打点计时器打出的计时点和人为选取的计数点，一般在纸带上每隔4个点取一个计数点，即时间间隔为T＝0.02s×5＝0.1s.9．在坐标纸上画v­t图象时，注意坐标轴单位长度的选取，应使图象尽量分布在较大的坐标平面内．【例1】打点计时器是高中物理中重要的物理实验仪器，图中甲、乙两种打点计时器是高中物理实验中常用的，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)某同学在“匀变速直线运动的实验探究”的实验中，用打点计时器在纸带上打的点记录小车的运动情况．他做此实验时步骤如下：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长木板上，并接好电路．C．把一条绳拴在小车上，细绳跨过定滑轮，下面挂上适当的钩码．D．小车停止运动后，直接取下纸带．E．将纸带固定在小车尾部，并穿过打点计时器的限位孔．F．换上新纸带，重复操作三次，然后从各纸带中选取一条清晰的进行数据处理．其中错误或遗漏的步骤有：①___________________________________________________；②___________________________________________________.将以上步骤完善后按合理的顺序填写在下面横线上．______________________________________________________________________________________________________.[解析](1)甲图是电磁打点计时器，电源为4～6V低压交流电．(2)乙图是电火花打点计时器，所用电源为220V交流电．(3)实验过程中应先接通电源再放开纸带，取纸带前应先断开电源，所以错误操作是A、D步骤．合理的顺序应是BECADF.[答案]见解析【例2】某同学利用图甲所示的实验装置，探究物块在水平桌面上的运动规律．物块在重物的牵引下开始运动，重物落地后，物块再运动一段距离停在桌面上(尚未到达滑轮处)．从纸带上便于测量的点开始，每5个点取1个计数点，相邻计数点间的距离如图乙所示．打点计时器电源的频率为50Hz.(1)通过分析纸带数据，可判断物块在两相邻计数点________和________之间某时刻开始减速．(2)计数点5对应的速度大小为________m/s，计数点6对应的速度大小为________m/s.(保留三位有效数字)(3)物块减速运动过程中加速度的大小为a＝________m/s2.[解析](1)由于计数点6之前相邻计数点之间距离之差约为2cm，而计数点6、7之间的距离比计数点5、6之间的距离多1.27cm，故可判断物块在相邻计数点6和7之间某时刻开始减速．(2)计数点5对应的速度v5＝s462T＝9.00＋11.01×10－22×0.1m/s＝1.00m/s.物块做加速运动时加速度大小a加＝Δs加T2＝2.00×10－20.12m/s2＝2.00m/s2.v6＝v5＋a加T＝1.20m/s.(3)物块做减速运动时的加速度大小为a＝ΔsT2＝2×10－20.12m/s2＝2.00m/s2.[答案](1)67(或76)(2)1.001.20(3)2.00纸带的处理方法(1)分析纸带的重点是通过纸带能判断物体的运动性质，能求物体运动的瞬时速度和加速度．(2)用逐差法求加速度时，若可利用的间隔数为偶数，可将计数点间隔平分成前后两组；若可利用的间隔数为奇数，可将居中的间隔舍去，再将计数点间隔平分成前后两组，计算时，还应注意公式的调整．1．(多选)运动物体拉动穿过打点计时器的纸带，纸带上打下一系列小点，打点计时器打下的点直接记录了()A．物体运动的时间B．物体在不同时刻的位置C．物体在不同时刻的速度D．物体在不同时间内的位移AB[因为打点计时器打点的时间间隔是已知的，只要数出纸带上所打点数就可知道物体运动的时间，打点计时器每打一个点与一个时刻对应．因此，打点计时器直接记录了物体运动的时间和不同时刻所在的位置，选项A、B正确．如果物体做变速运动，只能求某段时间内的平均速度，不能求出不同时刻的瞬时速度；即使物体做匀速直线运动，各时刻的瞬时速度等于运动的平均速度，也只能通过测量距离再经计算获得其运动速度，而不能直接获得．可见打出的点不能直接记录物体在不同时刻的速度，故选项C错误．物体在不同时间内的位移，一方面要通过测量才能知道，另一方面每打两点需间隔一段时间，也不是任意一段时间内的位移都能测出的，所以打出的点也不能直接记录物体在不同时间内的位移，故选项D错误．]2．(多选)在“匀变速直线运动的实验探究”中，为了减小测量小车运动加速度的相对误差，下列措施中哪些是有益的()A．使小车运动的加速度尽量小一些B．适当增加挂在细绳下的钩码的个数C．在同样条件下，打出多条纸带，选其中一条最理想的进行测量和计算D．舍去纸带上较密集的点，然后选取计数点，进行计算BCD[牵引小车的钩码个数要适当，以免加速度过大使纸带上的点太少，或者加速度太小，而使纸带上的点太多，都会使误差增大，故A错，B对；从多条纸带中选出点迹清晰的纸带，并舍去一些开始比较密集的点，便于测量和计算，故C、D都对．]3．某同学用打点计时器研究小车的匀变速直线运动．他将打点计时器接到频率是50Hz的交流电源上，实验中得到一条纸带，如图所示．他在纸带上便于测量的地方选取第1个计数点，在该点下标明A，第6个点下标明B，第11个点下标明C，第16个点下标明D，第21个点下标明E.测量时发现B点已模糊不清，测得AC长为14.56cm，CD长为11.15cm，DE长为13.73cm.由以上数据可以算出：打点计时器打C点时小车的瞬时速度大小为________m/s，小车运动的加速度大小为________m/s2，AB间的距离应为________cm.[解析]由打点计时器的频率知，相邻两计数点间的时间间隔T＝0.1s.C点的瞬时速度vC等于AE段的平均速度v－AE，即vC＝v－AE＝sAE4T＝14.56＋11.15＋13.734×0.1cm/s＝98.6cm/s＝0.986m/s，Δs＝sDE－sCD＝2.58cm＝2.58×10－2m，由Δs＝aT2得小车运动的加速度大小a＝ΔsT2＝2.58m/s2，由题意知sBC＋sAB＝14.56cm，sBC－sAB＝Δs＝2.58cm，解得sAB＝5.99cm.[答案]0.9862.585.994．在“探究匀变速直线运动”的实验中，用打点周期为0.02s的计时器记录小车做匀变速直线运动的纸带如图所示，在纸带上选择0、1、2、3、4、5共6个计数点，相邻两计数点之间还有四个点未画出，纸带旁并排放着最小分度为毫米的刻度尺，零刻度线跟“0”计数点对齐．由图可以读出三个计数点1、3、5跟0点的距离d1、d2、d3.(1)读出距离：d1＝1.20cm，d2＝________cm，d3＝________cm.(2)计算小车通过计数点“2”的瞬时速度v2＝__