202X_202X新教材高中物理2.1实验：探究小车速度随时间变化的规律课件新人教版必修1

1、第二章匀变速直线运动的研究1.实验:探究小车速度随时间变化的规律【实验目的实验目的】1.1.进一步练习使用打点计时器及利用纸带求瞬时速度进一步练习使用打点计时器及利用纸带求瞬时速度。2.2.探究小车速度随时间的变化规律。探究小车速度随时间的变化规律。3.3.会用图像法处理实验数据。会用图像法处理实验数据。【实验器材实验器材】电磁打点计时器电磁打点计时器( (或电火花计时器或电火花计时器) )、复写纸、导线、复写纸、导线、一端附有定滑轮的长铝板、小车、纸带、细绳、槽一端附有定滑轮的长铝板、小车、纸带、细绳、槽码、码、_、交流电源。、交流电源。刻度尺刻度尺【实验原理与设计实验原理与设计】1.1.实

2、验原理实验原理: :(1)(1)瞬时速度的计算瞬时速度的计算: :各计数点的瞬时速度可用以该点各计数点的瞬时速度可用以该点为中间时刻的一段时间内的为中间时刻的一段时间内的_来代替来代替: : 平均速度平均速度nn 1nxxv2T。(2)(2)根据根据v -tv -t图像判断运动性质图像判断运动性质: :用描点法可作出小车用描点法可作出小车的的v -tv -t图像图像, ,根据图像的形状可判断小车的运动性质。根据图像的形状可判断小车的运动性质。(3)(3)加速度的计算加速度的计算: :利用利用v -tv -t图像的图像的_求出小车的加求出小车的加速度。速度。斜率斜率2.2.实验设计实验设计: :

3、把纸带跟运动小车连接在一起把纸带跟运动小车连接在一起, ,并穿过打点计时器并穿过打点计时器, ,这这样纸带上的点不但记录了小车的运动样纸带上的点不但记录了小车的运动_,_,而且相应而且相应地表示运动小车在不同时刻的地表示运动小车在不同时刻的_,_,研究这些点的情研究这些点的情况况, ,就可以了解小车的运动情况。就可以了解小车的运动情况。时间时间位置位置【实验过程实验过程】一、实验步骤一、实验步骤1.1.安装实验器材安装实验器材: :把附有滑轮的长铝板放在实验台上把附有滑轮的长铝板放在实验台上, ,并使滑轮伸出桌面并使滑轮伸出桌面, ,把打点计时器固定在长铝板没有滑把打点计时器固定在长铝板没有滑

4、轮的一端轮的一端, ,连接好电路连接好电路, ,如图所示。如图所示。2.2.实验准备实验准备: :把一条细绳拴在小车上把一条细绳拴在小车上, ,使细绳跨过滑轮使细绳跨过滑轮, ,下面挂上合适的槽码。放手后下面挂上合适的槽码。放手后, ,看小车能否在铝板上平看小车能否在铝板上平稳地加速滑行稳地加速滑行, ,然后把纸带穿过打点计时器然后把纸带穿过打点计时器, ,并把纸带并把纸带的一端固定在小车的后面。的一端固定在小车的后面。3.3.打纸带打纸带: :使小车停在打点计时器处使小车停在打点计时器处, ,先接通电源先接通电源, ,后释后释放小车放小车, ,让小车拖着纸带运动让小车拖着纸带运动, ,打点计

5、时器就在纸带上打点计时器就在纸带上打下一列小点打下一列小点, ,再按同样的方法再按同样的方法( (不改变槽码个数不改变槽码个数) )打出打出两条纸带。从这三条纸带中选用一条最清晰的两条纸带。从这三条纸带中选用一条最清晰的, ,记录为记录为纸带纸带。4.4.增减槽码再打纸带增减槽码再打纸带: :增加一个槽码增加一个槽码, ,按上述方法打出按上述方法打出纸带纸带。在打纸带。在打纸带时的基础上减少一个槽码时的基础上减少一个槽码, ,仍按上仍按上述方法打出纸带述方法打出纸带。5.5.整理器材。整理器材。【思考思考讨论讨论】接通电源与释放小车有怎样的顺序接通电源与释放小车有怎样的顺序? ?( (科学思维

6、科学思维) )提示提示: :实验中应先接通电源实验中应先接通电源, ,后让小车运动后让小车运动; ;实验后应先实验后应先断开电源后取纸带。断开电源后取纸带。二、数据收集与分析二、数据收集与分析1.1.表格法表格法: :(1)(1)选纸带、标计数点选纸带、标计数点: :从几条纸带中选择一条比较理从几条纸带中选择一条比较理想的纸带想的纸带, ,舍掉开始一些比较密集的点舍掉开始一些比较密集的点, ,在后面便于测在后面便于测量的地方找一个点量的地方找一个点, ,作为计数始点作为计数始点, ,以后依次每五个点以后依次每五个点取一个计数点取一个计数点, ,并标明并标明0 0、1 1、2 2、3 3、44如

7、图所示。如图所示。(2)(2)测距离、填表格测距离、填表格: :依次测出依次测出0101、0202、0303、0404的距的距离离x x1 1、x x2 2、x x3 3、x x4 4,填入表中。填入表中。(3)(3)求瞬时速度求瞬时速度:1:1、2 2、3 3、44各点的瞬时速度分别为各点的瞬时速度分别为: :v v1 1= = 、v v2 2= = 、v v3 3= = 、v v4 4= = 将计将计算得出的各点的速度填入表中。算得出的各点的速度填入表中。(4)(4)根据表格中的数据根据表格中的数据, ,分析速度随时间变化的规律。分析速度随时间变化的规律。2x2T31xx2T42xx2T5

8、3xx2T。2.2.图像法图像法: :(1)(1)在坐标纸上建立直角坐标系在坐标纸上建立直角坐标系, ,横轴表示时间横轴表示时间, ,纵轴表纵轴表示速度示速度, ,并根据表格中的数据在坐标系中描点。并根据表格中的数据在坐标系中描点。(2)(2)画一条直线画一条直线, ,让这条直线通过尽可能多的点让这条直线通过尽可能多的点, ,不在线不在线上的点均匀分布在直线的两侧上的点均匀分布在直线的两侧, ,偏差比较大的点忽略不偏差比较大的点忽略不计计, ,如图所示。如图所示。(3)(3)观察所得到的直线观察所得到的直线, ,分析物体的速度随时间的变化分析物体的速度随时间的变化规律。规律。(4)(4)据所画

9、据所画v -tv -t图像求出小车运动的加速度图像求出小车运动的加速度a=a= 。3.3.实验结论实验结论: :小车速度随时间均匀变化。小车速度随时间均匀变化。vt【思考思考讨论讨论】有同学描出的图像太陡或太平缓是什么原因造成的有同学描出的图像太陡或太平缓是什么原因造成的? ?( (科学思维科学思维) )提示提示: :在坐标纸上画在坐标纸上画v -tv -t图像时图像时, ,注意坐标轴单位长度注意坐标轴单位长度的选取的选取, ,应使图像尽量分布在较大的坐标平面内。图像应使图像尽量分布在较大的坐标平面内。图像太陡或太平缓是单位长度选取不合适造成的。太陡或太平缓是单位长度选取不合适造成的。【误差分

10、析误差分析】1.1.系统误差系统误差: :铝板的粗糙程度不同会产生系统误差铝板的粗糙程度不同会产生系统误差, ,实实验中应尽量选用粗糙程度均匀的铝板。验中应尽量选用粗糙程度均匀的铝板。2.2.偶然误差偶然误差: :(1)(1)根据纸带测量位移时会产生偶然误差根据纸带测量位移时会产生偶然误差, ,实验中应一实验中应一次性测量各计数点到起始点的距离。次性测量各计数点到起始点的距离。(2)(2)作作v -tv -t图像时单位选择不合适或作图不准确会带来图像时单位选择不合适或作图不准确会带来偶然误差偶然误差, ,实验中应选取合适的坐标单位。实验中应选取合适的坐标单位。【思考思考讨论讨论】怎样减小实验过

11、程的误差怎样减小实验过程的误差? ? ( (科学思维科学思维) )提示提示: :点距合适点距合适: :小车的加速度宜适当大些小车的加速度宜适当大些, ,可以减小可以减小长度的测量误差长度的测量误差, ,加速度大小以能在约加速度大小以能在约50 cm50 cm的纸带上的纸带上清楚地取出清楚地取出6 67 7个计数点为宜。个计数点为宜。弄清间隔弄清间隔: :要区别计时器打出的点与人为选取的计数要区别计时器打出的点与人为选取的计数点点, ,一般在纸带上每隔四个点取一个计数点一般在纸带上每隔四个点取一个计数点, ,即时间间即时间间隔为隔为T=0.02T=0.025 s=0.1 s5 s=0.1 s。仔

12、细描点仔细描点: :描点时最好用坐标纸描点时最好用坐标纸, ,在纵、横轴上选取在纵、横轴上选取合适的单位。用细铅笔认真描点。合适的单位。用细铅笔认真描点。类型一实验操作类型一实验操作【典例典例1 1】在在“探究小车速度随时间变化的规律探究小车速度随时间变化的规律”的实的实验中验中: :世纪金榜导学号世纪金榜导学号(1)(1)关于电磁打点计时器和电火花计时器关于电磁打点计时器和电火花计时器, ,下列说法正下列说法正确的是确的是_。A.A.电磁打点计时器用的是直流电源电磁打点计时器用的是直流电源, ,而电火花计时器用而电火花计时器用的是交流电源的是交流电源B.B.它们每隔它们每隔0.02 s0.0

13、2 s打一个点打一个点C.C.它们的工作电压均为它们的工作电压均为220 V220 V的交流电源的交流电源D.D.使用它们计时时使用它们计时时, ,必须先拉动纸带必须先拉动纸带, ,再立即接通电源再立即接通电源(2)(2)如图如图1 1所示是电火花计时器的示意图所示是电火花计时器的示意图, ,其工作时的基其工作时的基本步骤如下本步骤如下: :A.A.当纸带完全通过电火花计时器后当纸带完全通过电火花计时器后, ,及时关闭电火花计及时关闭电火花计时器时器B.B.接通开关接通开关, ,听到放电声听到放电声, ,拖动纸带运动拖动纸带运动C.C.将纸带从墨粉纸盘下面穿过打点计时器将纸带从墨粉纸盘下面穿过

14、打点计时器D.D.将电火花计时器插头插入相应的电源插座将电火花计时器插头插入相应的电源插座上述步骤正确的顺序是上述步骤正确的顺序是_。( (按顺序填写步骤编号按顺序填写步骤编号)(3)(3)打点计时器固定在斜面上某处打点计时器固定在斜面上某处, ,一小车拖着穿过打一小车拖着穿过打点计时器的纸带从斜面上滑下点计时器的纸带从斜面上滑下, ,如图如图2 2甲所示。若工作甲所示。若工作电源的频率为电源的频率为50 Hz,50 Hz,纸带上打点如图纸带上打点如图2 2乙所示乙所示, ,则打点则打点计时器打计时器打A A点时小车的速度点时小车的速度v vA A=_m/s,=_m/s,若小若小车做匀变速直线

15、运动车做匀变速直线运动, ,该运动过程的加速度该运动过程的加速度a=_m/sa=_m/s2 2。(4)(4)在研究匀变速直线运动的实验中在研究匀变速直线运动的实验中, ,算出小车经过各算出小车经过各计数点的瞬时速度计数点的瞬时速度, ,为了计算加速度为了计算加速度, ,最合理的方法是最合理的方法是_。A.A.根据任意两计数点的速度用公式根据任意两计数点的速度用公式a=a= 算出加速度算出加速度B.B.根据实验数据画出根据实验数据画出v -tv -t图像图像, ,量取其倾角量取其倾角,由公式由公式a=tan a=tan 求出加速度求出加速度vtC.C.根据实验数据画出根据实验数据画出v -tv

16、-t图像图像, ,由图像上相距较远的两由图像上相距较远的两点所对应的速度、时间用公式点所对应的速度、时间用公式a=a= 算出加速度算出加速度D.D.依次算出通过连续两计数点间的加速度依次算出通过连续两计数点间的加速度, ,算出平均值算出平均值作为小车的加速度作为小车的加速度vt【解题探究解题探究】(1)(1)电磁打点计时器与电火花计时器在使用时对电压有电磁打点计时器与电火花计时器在使用时对电压有什么要求什么要求? ?提示提示: :电磁打点计时器使用电磁打点计时器使用4 46 V6 V交流电源交流电源; ;电火花计电火花计时器使用时器使用220 V220 V交流电源。交流电源。(2)(2)物理图

17、像的斜率物理图像的斜率k=tank=tan吗吗? ?提示提示: :在数学上图像的斜率在数学上图像的斜率k= =tan,k= =tan,在物理中由于在物理中由于横纵坐标单位长度的含义不同横纵坐标单位长度的含义不同, ,所以所以k= tan,k= tan,但但在同一物理坐标系在同一物理坐标系 yxyx1122ktanktan。【解析解析】(1)(1)电火花打点计时器是使用电火花打点计时器是使用220 V220 V交流电源交流电源的计时仪器的计时仪器, ,电磁打点计时器的工作电压为交流电磁打点计时器的工作电压为交流6 V6 V以以下下, ,当电源的频率为当电源的频率为50 Hz50 Hz时时, ,它

18、每隔它每隔0.02 s0.02 s打一个点打一个点, ,故故A A、C C错误错误,B,B正确正确; ;使用它们时必须先接通电源使用它们时必须先接通电源, ,再拉再拉动纸带动纸带, ,故故D D错误错误; ;(2)(2)实验步骤要遵循先安装器材后进行实验的原则进行实验步骤要遵循先安装器材后进行实验的原则进行: :先将电火花计时器插头插入相应的电源插座先将电火花计时器插头插入相应的电源插座, ,再将纸再将纸带从墨粉纸盘下面穿过打点计时器带从墨粉纸盘下面穿过打点计时器, ,然后接通开关然后接通开关, ,听听到放电声到放电声, ,拖动纸带运动拖动纸带运动, ,最后当纸带完全通过电火花最后当纸带完全通

19、过电火花打点计时器后打点计时器后, ,及时关闭电火花计时器及时关闭电火花计时器, ,上述步骤正确上述步骤正确的顺序是的顺序是DCBA;DCBA;(3)(3)小车做匀加速直线运动小车做匀加速直线运动, ,平均速度等于中间时刻的平均速度等于中间时刻的瞬时速度瞬时速度, ,故故v vA A=0.55 m/s;=0.55 m/s;根据推论公式根据推论公式x=aTx=aT2 2, ,有有a=a= =5 m/s =5 m/s2 2; ;(4)(4)在处理实验数据时在处理实验数据时, ,如果只使用其中两个数据如果只使用其中两个数据, ,因为因为偶然误差的存在可能会造成最后误差较大偶然误差的存在可能会造成最后

20、误差较大, ,所以可以根所以可以根据实验数据画出据实验数据画出v -tv -t图像图像, ,尽量使那些不能画在线上的尽量使那些不能画在线上的点均匀分布在直线的两侧点均匀分布在直线的两侧, ,这样图线会舍弃误差较大的这样图线会舍弃误差较大的2xT点点, ,由图像上相距较远的任意两点所对应的速度及时间由图像上相距较远的任意两点所对应的速度及时间, ,用公式用公式a= a= 即可算出加速度即可算出加速度, ,所以误差较小所以误差较小, ,故故A A错错误误,C,C正确正确; ;由于图像纵坐标和横坐标的单位长度可能不由于图像纵坐标和横坐标的单位长度可能不同同, ,所以不能用所以不能用a=tan a=t

21、an 求出加速度求出加速度, ,故故B B错误错误; ;依次算依次算出通过连续两计数点间的加速度出通过连续两计数点间的加速度, ,算出平均值作为小车算出平均值作为小车的加速度的加速度, ,实际应用的只是第一组和最后一组数据实际应用的只是第一组和最后一组数据, ,同同样存在较大的误差样存在较大的误差, ,故故D D错误。错误。vt答案答案: :(1)B(1)B(2)DCBA(2)DCBA(3)0.55(3)0.555 5(4)C(4)C类型二数据处理类型二数据处理【典例典例2 2】一小车在桌面上从静止开始做加速直线运动一小车在桌面上从静止开始做加速直线运动, ,现用高速摄影机在同一底片上多次曝光

22、现用高速摄影机在同一底片上多次曝光, ,记录下小车每记录下小车每次曝光的位置次曝光的位置, ,并将小车的位置编号。如图甲所示并将小车的位置编号。如图甲所示,1,1位位置恰为小车刚开始运动的瞬间的位置置恰为小车刚开始运动的瞬间的位置, ,从此时开始计时从此时开始计时, ,摄影机连续两次曝光的时间间隔均相同摄影机连续两次曝光的时间间隔均相同, ,小车从小车从1 1位置位置到到6 6位置的运动过程中经过各位置的速度分别为位置的运动过程中经过各位置的速度分别为v v1 1=0,=0,v v2 2=0.06 m/s,v=0.06 m/s,v3 3=_m/s,v=_m/s,v4 4=0.18 m/s, =

23、0.18 m/s, v v5 5=_m/s(=_m/s(均保留两位小数均保留两位小数) )。在图乙所示的坐。在图乙所示的坐标纸上作出小车的速度标纸上作出小车的速度时间图像时间图像( (保留描点痕迹保留描点痕迹) )。世纪金榜导学号世纪金榜导学号【解题探究解题探究】根据图像求斜率时应该怎样读取数据根据图像求斜率时应该怎样读取数据? ?提示提示: :根据图像求斜率读取数据时根据图像求斜率读取数据时, ,为了减小误差应该为了减小误差应该选尽量远的两个点选尽量远的两个点, ,这两个点最好能落在坐标十字格上这两个点最好能落在坐标十字格上, ,或者读取截距上的点。或者读取截距上的点。【解析解析】小车做初速

24、度为零的匀加速直线运动小车做初速度为零的匀加速直线运动, ,根据根据v=atv=at知知, ,速度之比等于运动的时间之比速度之比等于运动的时间之比, ,小车运动到小车运动到2 2位位置、置、3 3位置、位置、4 4位置、位置、5 5位置的时间之比为位置的时间之比为1234,1234,因为因为v v2 2=0.06 m/s,=0.06 m/s,则则v v3 3=0.12 m/s,v=0.12 m/s,v5 5=0.24 m/s=0.24 m/s。据各。据各点的瞬时速度点的瞬时速度, ,作出作出v -tv -t图如图所示。图如图所示。答案答案: :见解析见解析【规律方法规律方法1 1】 求加速度的

25、三种方法求加速度的三种方法(1)(1)定义法定义法: :求出两个点的速度求出两个点的速度, ,利用利用a=a= 计算加速计算加速度。度。(2)(2)图像法图像法: :求出求出5 57 7个点的速度个点的速度, ,在在v -tv -t图像中描点图像中描点, ,利用斜率求加速度。利用斜率求加速度。(3)(3)逐差法逐差法: :利用利用x=xx=x2 2-x-x1 1=aT=aT2 2求加速度。求加速度。vt【规律方法规律方法2 2】 纸带实验注意的几个细节纸带实验注意的几个细节(1)(1)单位国际化单位国际化, ,如把如把cmcm、mmmm转化为转化为m m。(2)(2)计数周期计数周期T=0.1

26、 s,T=0.02 s,TT=0.1 s,T=0.02 s,T取其他值取其他值(3)(3)估读和有效数字估读和有效数字, ,如如0.0300.030是两位有效数字。是两位有效数字。类型三实验创新类型三实验创新利用现代技术测速度的方法利用现代技术测速度的方法1.1.借助传感器用计算机测速度借助传感器用计算机测速度: :(1)(1)实验装置实验装置: :如图所示是一种运动传感器的原理图如图所示是一种运动传感器的原理图, ,这这个系统由个系统由A A、B B两个小盒子组成。两个小盒子组成。(2)(2)测量步骤测量步骤: :将红外线、超声波发射器将红外线、超声波发射器A A盒固定在小车上盒固定在小车上

27、, ,接收传接收传感器感器B B盒固定在某一位置并调整其高度与传感器盒固定在某一位置并调整其高度与传感器A A等高等高。小车上小车上A A盒发射器对着接收器盒发射器对着接收器B,B,并处在同一直线上。并处在同一直线上。将接收传感器将接收传感器B B探测到的红外线、超声波到达的时间探测到的红外线、超声波到达的时间差等数据输入计算机差等数据输入计算机, ,利用专门软件可以分析小车的位利用专门软件可以分析小车的位移与时间的关系。移与时间的关系。将这些位移和对应的时间差再利用计算机进行处理将这些位移和对应的时间差再利用计算机进行处理, ,就可以分析小车的速度随时间的变化。就可以分析小车的速度随时间的变

28、化。根据小车的两个位置变化可求得根据小车的两个位置变化可求得x,x,两位置的时间两位置的时间差为差为t,t,则小车速度则小车速度v=v= 。xt2.2.利用光电门测瞬时速度利用光电门测瞬时速度: :(1)(1)实验装置实验装置: :实验装置如图所示实验装置如图所示, ,一滑块在钩码的拉动一滑块在钩码的拉动下在气垫导轨上运动下在气垫导轨上运动, ,气垫导轨旁装有光电门。气垫导轨旁装有光电门。(2)(2)物理量的测量物理量的测量: :位移的测量位移的测量: :毫米刻度尺。毫米刻度尺。时间的测量时间的测量: :当固定在滑块上的遮光条通过光电门时当固定在滑块上的遮光条通过光电门时, ,光线被阻挡光线被

29、阻挡, ,数字记时器上可以直接读出光线被阻挡数字记时器上可以直接读出光线被阻挡的时间。这段时间就是遮光条通过光电门的时间。的时间。这段时间就是遮光条通过光电门的时间。速度的求解速度的求解: :根据遮光条的宽度根据遮光条的宽度xx和测出的时间和测出的时间t,t,就可以算出遮就可以算出遮光条通过光电门的平均速度光条通过光电门的平均速度( ( ) )。由于遮光条的。由于遮光条的宽度宽度xx很小很小, ,因此可以认为因此可以认为, ,这个平均速度就是滑块通这个平均速度就是滑块通过光电门的瞬时速度。过光电门的瞬时速度。xvt【典例典例3 3】如图中的甲是在高速公路上用超声波测速仪测量车速如图中的甲是在高速公路上用超声波测速仪测量车速的示意图。的示意图。1.1.实验创新思路实验创新思路: :测速仪发出并接收超声波脉冲信号测速仪发出并接收超声波脉冲信号, ,根据发出和接收到的信号间的时间差根据发出和接收到的信号间的时间差, ,测出被测物体的测出被测物体的速度。速度。2.2.实验步骤实验步骤: :(1)(1)测速仪发出的超声波信号测速仪发出的超声波信号, ,图乙中图乙中P P1 1、P P2 2, ,是测速仪是测速仪发出的超声波信号。发出的超声波信号。(2)(2)由汽车反射回来的信号由汽车反射回来的信号,n,n1 1、n n2 2分别是分别是P P1