2020年高中物理 第2章 匀变速直线运动的研究 第1节 实验： 探究小车速度随时间变化的规律课件

第二章匀变速直线运动的研究第1节实验：探究小车速度随时间变化的规律|实验基础·理一理|一、实验目的1．进一步练习使用打点计时器及利用纸带求瞬时速度．2．学会用实验探究小车速度随时间变化的规律的方法，学会用v­t图象处理实验数据．二、实验原理1．利用纸带计算瞬时速度：以纸带上某点为中间时刻取一小段位移，用这段位移的平均速度表示这点的瞬时速度．2．用v­t图象表示小车的运动情况：以速度v为纵轴、时间t为横轴建立直角坐标系，用描点法画出小车的v­t图象，图线的倾斜程度表示加速度的大小，如果v­t图象是一条倾斜的直线，说明小车的速度是均匀变化的．三、实验器材打点计时器、交流电源、纸带、一端附有滑轮的长木板、小车、细绳、钩码、刻度尺、坐标纸．四、实验步骤1．如图所示，把一端附有滑轮的长木板平放在实验桌上，并使滑轮伸出桌面，打点计时器固定在长木板没有滑轮的一端，连接好电路．2．把一条细绳拴在小车上，使细绳跨过滑轮，下面挂上适当的钩码，把纸带穿过打点计时器，并把纸带的另一端固定在小车的后面．3．把小车停在靠近打点计时器的位置，先接通电源，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行小点，随后立即关闭电源．4．换上新纸带，重复实验三次．五、数据处理1．测量并记录数据(1)从几条纸带中选择一条点迹最清晰的．舍掉开头一些过于密集的点迹，找一个适当的点当做计时起点(0点)，每5个点(相隔0.1s)取一个计数点进行测量，如图所示(相邻两点间还有四个点未画出)．标明0、1、2、3、4、…，测量各计数点到0点的距离x，并记录填入表中．位置编号012345t/sx/mv/(m·s－1)(2)分别计算出相邻的两计数点之间的距离x1、x2、x3…(3)利用一段时间内的平均速度等于这段时间中间时刻的瞬时速度，即vn＝xn＋xn＋12T.例如，图中计数点4的速度v4＝x4＋x52T.并将求得的各计数点1、2、3、4、5的瞬时速度，填入上面的表格中．2．作出v­t图象分析运动规律(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．(4)根据v­t图象求出小车运动的加速度a＝ΔvΔt.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．先接通电源，等打点稳定后，再释放小车．3．打点完毕，立即关闭电源．4．选取一条点迹清晰的纸带，适当舍弃点迹密集部分，适当选取计数点(注意计数点与计时点的区别)，弄清楚所选的时间间隔T等于多少．5．要逐次测量各段距离，应尽可能地一次测量完毕．6．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坐标平面中央．|热点题型·研一研|★题型一实验原理与操作【例1】(1)在做“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，给你以下器材：电磁打点计时器、电池组、纸带、复写纸、小车、钩码、细绳、一端附有定滑轮的长木板．其中不需要的器材是________________，还需要增添的器材有________________．(2)关于“探究小车速度随时间变化的规律”这一实验，下列说法正确的是________．A．长木板不能侧向倾斜，也不能一端高一端低B．在释放小车前，小车应靠近打点计时器C．应先接通电源，待打点计时器打点稳定后再释放小车D．打点计时器应接在低压直流电源上E．小车运动时要保持纸带与打点计时器平面、木板平行F．作v­t图象时，应先描点后连线，并且要把描出的所有点都连接起来[解析](1)电磁打点计时器使用低压交流电源，所以不需要的器材是电池组．为了得到小车的运动规律，还需要刻度尺来测量计数点之间的距离，所以还需要低压交流电源、刻度尺．(2)长木板不能侧向倾斜，但是可以一端高一端低，故A错误；在释放小车前，小车应尽量靠近打点计时器，以能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，故B正确；实验中应先接通电源然后释放小车，故C正确；打点计时器应接在低压交流电源上，故D错误；小车运动时要保持纸带与打点计时器平面、木板平行，故E正确；作v­t图象时，让尽量多的点均匀分布在图线的两侧，描绘成平滑的曲线，不要求所有的点都在图线上，故F错误．[答案](1)电池组低压交流电源、刻度尺(2)BCE|对点训练|1．在用打点计时器“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，下述测量每相邻两计数点间距离的方法正确的是()A．当某两个计数点间的距离较大时，可以用短尺把它分段来测量B．当某两个计数点间的距离较小时，可以用短尺一次把它测完C．测量每两个相邻计数点间的距离，应该用毫米刻度尺的零刻线对准起点，读出各计数点对应的刻度值，然后逐一相减，得到每两个相邻计数点间距离的数值D．分别测出每两个计数点间的距离，这样便于记录解析：选C为了减小测量误差，测量两个相邻计数点间的距离时，应该用毫米刻度尺量出各点到第一个点的距离，再逐一相减，得到每两个相邻计数点间的距离，故只有C项正确．2．(2019·湖南省衡阳高一检测)在探究小车速度随时间变化的规律的实验中，按照实验进行的先后顺序，将下述步骤的代号填在横线上________．A．把穿过打点计时器的纸带固定在小车后面B．把打点计时器固定在木板的没有滑轮的一端，并连好电路C．换上新的纸带，再重做两次D．把长木板平放在实验桌上，并使滑轮伸出桌面E．使小车停在靠近打点计时器处，接通电源，放开小车，让小车运动F．把一条细绳拴在小车上，细绳跨过定滑轮，下边吊着合适的钩码G．断开电源，取出纸带解析：正确的实验步骤是：把长木板平放在实验桌上，并使滑轮伸出桌面，把打点计时器固定在木板没有滑轮的一端，并连好电路，把一条细绳拴在小车上，细绳跨过定滑轮，另一端吊合适的钩码，把穿过打点计时器的纸带固定在小车后面，使小车停在靠近打点计时器处，先接通电源，再放开小车，让小车运动，打完一条纸带，断开电源，取下纸带，换上新纸带，再重做两次，即顺序为DBFAEGC．答案：DBFAEGC★题型二数据处理与分析【例2】在用电火花计时器“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，图甲是一次记录小车运动情况的纸带，图中A、B、C、D、E为相邻的计数点，相邻计数点间还有四个点未画出．(电源频率为50Hz)(1)根据运动学有关公式可求得vB＝1.38m/s，vC＝________m/s，vD＝3.90m/s.(保留三位有效数字)(2)利用求得的数值在图乙所示坐标纸上作出小车的v­t图象(从打A点时开始计时)．利用纸带上的数据求出小车运动的加速度a＝________m/s2.(保留三位有效数字)(3)将图线延长与纵轴相交，交点的纵坐标是0.12m/s，此交点的物理意义是____________________________．[解析](1)打C点时对应的速度为vC＝xBD2T＝60.30－7.500.2cm/s＝264cm/s＝2.64m/s.(2)用描点法作出小车的v­t图象如图所示．由图知小车运动的加速度a＝vD－vBtD－tB＝3.90m/s－1.38m/s3－1×10－1s＝12.6m/s2.(3)此交点表示A点开始计时时，小车的速度为0.12m/s.[答案](1)2.64(2)12.6(3)从A点开始计时时，小车的速度为0.12m/s|对点训练|3．打点计时器使用的交流电源频率为50Hz，在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，若交流电源的频率变小了而未被发现，则测得小车的速度值与真实值比较将()A．偏大B．偏小C．无影响D．无法判断解析：选A打点计时器打点的频率是由电源的频率决定的，且打点的频率等于电源的频率．当交流电源的频率为50Hz时，打点计时器每隔0.02s打一个点；当交流电源的频率低于50Hz时，打点计时器打点的时间间隔将大于0.02s，计算速度时如果仍按0.02s计算，由v＝xt可知，因测量值t小于真实值，故导致测量出的速度值大于真实值．4．(2018·山东济南一中高一上期中)在“探究小车速度随时间变化的规律”实验中，得到的一条纸带如图所示，从比较清晰的点起，每5个点取一个计数点，分别标明0、1、2、3、4，量得x1＝30.0mm，x2＝36.0mm，x3＝42.0mm，x4＝48.0mm，则打1和4点之间的平均速度为________m/s，打2这个点时的瞬时速度为________m/s.(电源频率为50Hz)解析：1和4点之间的平均速度为v＝x2＋x3＋x43T＝36.0＋42.0＋48.0×10－30.3m/s＝0.42m/s，计数点2的瞬时速度为v2＝x2＋x32T＝36.0＋42.0×10－30.2m/s＝0.39m/s.答案：0.420.395．(2018·河南南阳一中高一测试)在做“研究匀变速直线运动”的实验时，某同学得到一条用电火花计时器打下的纸带，如图甲所示，并在其上取了A、B、C、D、E、F、G共7个计数点，每相邻两个计数点间还有4个点没有画出，电火花计时器接220V、50Hz交流电源．甲(1)设电火花计时器的频率为f，计算F点的瞬时速度vF的公式为vF＝________.(2)他经过测量并计算得到电火花计时器在打B、C、D、E、F各点时物体的瞬时速度如表．以A点对应的时刻为t＝0，试在如图乙所示坐标系中合理地选择标度，作出v­t图象，并利用该图象求出物体的加速度a＝________m/s2.(保留两位有效数字)对应点BCDEF速度(m/s)0.1410.1800.2180.2620.301(3)如果当时电网中交变电源的电压变成230V，而做实验的同学并不知道，那么加速度的测量值与实际值相比________(填“偏大”“偏小”或“不变”)．解析：(1)每相邻两个计数点间还有4个点没有画出，所以相邻两个计数点间的时间间隔T′＝5T，根据匀变速直线运动中，中间时刻的速度等于该过程中的平均速度，得vF＝d6－d42T′＝d6－d410T＝d6－d410f.(2)作出v­t图象，如图所示，注意尽量使描出的点落到直线上，不能落到直线上的点尽量让其分布在直线两侧，由速度—时间图象的斜率表示加速度，得a＝ΔvΔt＝0.3－0.10.5m/s2＝0.40m/s2.(3)电网电压变化，并不改变打点的周期，故测量值与实际值相比不变．答案：(1)d6－d410f(2)图见解析0.40(3)不变★题型三实验创新【例3】在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，打点计时器接在50Hz的低压交流电源上．某同学在打出的纸带上每5个点取一个计数点，共取了A、B、C、D、E、F六个计数点(每相邻两个计数点间的四个点未画出)，如图甲所示．从每一个计数点处将纸带剪开分成五段(分别为a、b、c、d、e段)，将这五段纸带由短到长紧靠但不重叠地粘在xOy坐标系中，如图乙所示．(1)请你在xOy坐标系中用最简洁的方法作出能表示v­t关系的图线(在图乙中作答)，并指出哪个轴相当于v轴？(2)从第一个计数点开始计时，为了求出0.15s时刻的瞬时速度，需要测出哪一段纸带的长度？(3)若测得a段纸带的长度为2.0cm，e段纸带的长度为10.0cm，则可求出加速度的大小为______m/s2.[解析](1)以纸带宽度为时间单位0.1s．x轴相当于t轴，y轴相当于v轴，每段纸带上端中点的纵坐标相当于这段时间中间时刻的瞬时速度．把纸带上端中点连起来就得到v­t图线．(2)用b段纸带的长度除以0.1s就是完成这段长度的平均速度，也近似等于0.15s时刻的瞬时速度，故需测出b段纸带的长度．(3)0.05s时的瞬时速度v1＝2.0cm0.1s＝20.0cm/s＝0.20m/s，0．45s时瞬时速度v2＝10.0cm0.1s＝100cm/s＝1.00m/s，a＝v2－v1Δt＝1.00－0.200.45－0.05m/s2＝2.0m/s2.[答案](1)v­t图线见解析图y轴相当于v轴(2)b段(3)2.0|对点训练|6．