高中物理必修第一册(人教版)实验-测量做直线运动物体的瞬时速度(包括练习使用打点计时器)

高中同步学案优化设计GAOZHONGTONGBUXUEANYOUHAUSHEJI实验:测量做直线运动物体的瞬时速度

(包括练习使用打点计时器)第一章2021内容索引0102课前篇自主预习课堂篇探究学习学习目标1.了解两种打点计时器的结构和工作原理,会正确使用打点计时器。(科学思维)2.理解根据纸带测量速度的原理并测量瞬时速度。(科学思维)3.会用速度—时间图像表示速度,掌握描点作图的方法,会根据画出的图像描述物体速度的变化情况。(科学探究)4.掌握科学探究的一般过程。(科学探究)思维导图课前篇自主预习[必备知识]一、两种打点计时器

比较项电火花计时器电磁打点计时器结构图示

打点方式周期性产生电火花振针周期性上下振动电源频率为50Hz时打点周期0.02s0.02s记录信息位移、时间二、测量纸带的平均速度和瞬时速度1.下图是打点计时器打出的一条纸带,若Δx=5cm,在D、G这两个点的时间间隔中,纸带运动的平均速度是0.5m/s。

2.上图中,可以用包含E点的DG间或DF间的平均速度来代表E点的瞬时速度,DF间的平均速度更接近E点的瞬时速度。三、练习使用打点计时器1.实验器材电磁打点计时器(或电火花计时器)、纸带、刻度尺、导线、复写纸片、低压交流电源(频率是50Hz,电火花计时器使用220V交流电源,频率也为50Hz)。2.实验步骤(1)把电磁打点计时器固定在桌子上,纸带穿过限位孔,把复写纸套在定位轴上,并且压在纸带上面。(2)把电磁打点计时器的两个接线柱接到低压交流电源上。(3)接通电源开关,用手水平拉动纸带,使它在水平方向上运动,纸带上就打下一系列点。随后立即关闭电源。(4)取下纸带,从能看得清的某个点开始(起始点),往后数出若干个点,如果共有n个点,那么n个点的间隔数为n-1个,则纸带的运动时间Δt=(n-1)×0.02s。(5)用刻度尺测量出从起始点到第n个点间的距离Δx。(6)利用公式v=计算出纸带在这段时间内的平均速度。(7)用刻度尺测量包含某点在内的两点间的距离,计算出平均速度,用来替代该点的瞬时速度。3.实验注意事项(1)实验前,应将打点计时器固定好,以免拉动纸带时晃动,并要先轻轻试拉纸带,应无明显的阻滞现象。(2)使用打点计时器打点时,应先接通电源,待打点计时器打点稳定后,再拉动纸带。(3)手拉动纸带时速度应快一些,以防点迹太密集。(4)使用电火花计时器时,应注意把纸带正确穿好,墨粉纸盘位于纸带上方,使用电磁打点计时器时,应让纸带穿过限位孔,压在复写纸下面。(5)使用电磁打点计时器时,如打出点较轻或是短线,应调整振针距复写纸的高度。(6)打点计时器不能连续工作太长时间,打点之后应立即关闭电源。(7)对纸带进行测量时,不要分段测量各段的位移,正确的做法是一次测量完毕(可先统一测量出各个测量点到起始测量点O之间的距离)。读数时应估读到毫米的下一位。四、用图像表示速度1.速度—时间图像:物体的速度随时间变化的过程可以用速度—时间图像描述。2.画图像:以速度v为纵轴,时间t为横轴建立坐标系,在坐标系中,根据时刻与瞬时速度对应的坐标值描点。用一条平滑曲线来描出这些点,如果有些点难以落在曲线上,应该使它们大致均匀地分布在曲线两侧,得到v-t图像。[自我检测]1.正误辨析(1)两种打点计时器使用的电源都是220V的交流电源。(

)解析

电火花计时器使用220

V交流电源,电磁打点计时器使用约为8

V交流电源。答案

×(2)使用50Hz的交流电源,两种打点计时器的打点时间间隔都是0.02s。(

)解析

打点计时器使用50

Hz的交流电源,打点时间间隔为0.02

s。答案

√(3)电火花计时器工作时,纸带运动时受到的阻力较小。(

)解析

电磁打点计时器打点时振针对纸带有摩擦力,而电火花计时器没有这种摩擦力。答案

√(4)纸带上两较近点间的平均速度可以近似代表这两点间某点的瞬时速度。(

)解析

计算纸带上某点的瞬时速度时,可用该点附近两点间的平均速度来代表这点的瞬时速度。答案

√(5)作速度—时间图像时,先描点,再将各点用折线连接起来。(

)解析

应该用平滑的曲线将各点连接起来。答案

×2.(2020广西南宁第二十六中学高一期中)用打点计时器可测纸带运动的时间和位移。下面是没有按操作顺序写的不完整的实验步骤,按照你对实验的理解,在各步骤空白处填上适当的内容,然后按实际操作的合理顺序,将各步骤的字母代号按顺序写在空白处。A.在电磁打点计时器的两接线柱上分别接上导线,导线的另一端分别接在频率为50Hz的低压

(选填“交流”或“直流”)电源的两个接线柱上,则打相邻两点的时间间隔为

s;

B.把电磁打点计时器固定在桌子上,让纸带穿过限位孔,并压在

下面;

C.用刻度尺测量从计时开始点到最后一个点间的距离Δx;D.切断电源,取下纸带,如果共有n个清晰的点,则这段纸带记录的时间Δt=

;

E.打开电源开关,再用手水平地拉动纸带,纸带上打下一系列小点;F.利用公式v=计算纸带运动的平均速度。实验步骤的合理顺序是

。

解析

电磁打点计时器要接在低压交流电源上。电源的频率为50

Hz,根据

,解得T=0.02

s。把电磁打点计时器固定在桌子上,让纸带穿过限位孔,并压在复写纸下面。若打n个点,则有(n-1)个时间间隔,故这段纸带记录的时间Δt=0.02(n-1)

s。实验步骤一般要按照先安装器材然后进行实验的思路进行,故实验步骤的合理顺序是BAEDCF。答案

交流

0.02

复写纸

0.02(n-1)s

BAEDCF课堂篇探究学习问题一根据纸带求解物体的运动速度[情境探究]实验装置如图所示,使一辆小车从一端垫高的木板上滑下,木板旁装有光电门,其中A管发出光线,B管接收光线。当固定在车上的遮光板通过光电门时,光线被阻挡,记录仪上可以直接读出光线被阻挡的时间。这段时间就是遮光板通过光电门的时间。根据测得的物理量能否测出遮光板通过光电门的平均速度?能否将该速度近似看作小车通过光电门的瞬时速度?要点提示

根据遮光板的宽度Δx和测出的时间Δt,就可以算出遮光板通过光电门的平均速度

。由于遮光板的宽度Δx很小,可以认为这个平均速度就是小车通过光电门的瞬时速度。[知识点拨]1.求解平均速度根据v=,求出任意两点间的平均速度。两点间的位移Δx可以用刻度尺测量出,Δt为两点间的间隔数与单个时间间隔0.02s的乘积。如图所示,将打好点的纸带从能够看清的某个点开始,往后数出若干个点,比如共数出n个点,用刻度尺测出第一个点到第n个点的距离Δx,并算出这n个点的时间间隔,则平均速度,其中T=0.02s。2.粗略计算瞬时速度

[实例引导]例1打点计时器所用电源的频率为50Hz,某次实验中得到的一条纸带,用毫米刻度尺测量情况如图所示,纸带在A、C间的平均速度为

m/s,A、D间的平均速度为

m/s,B点的瞬时速度更接近于

m/s。

答案

0.35

0.42

0.35规律方法

1.确定时间:确定时间时注意相邻计数点间计时点个数及打点周期。2.确定位移:确定位移时注意起始点和终止点。3.计算瞬时速度都是用一段时间内的平均速度来代替瞬时速度。变式训练1某同学分析小车的运动时,从若干条纸带中选出点迹比较清晰的一条纸带,如图所示,他每隔四个点取一个计数点,并在图上标明了各计数点之间的距离(单位:cm)。(1)计算0~6点间小车的平均速度;(2)计算打第4个计数点时小车的瞬时速度。解析

(1)0~6点间小车的位移x=x1+x2+……+x6=40.53

cm每两个相邻计数点间有4个点,故每两个相邻计数点间的时间间隔T=0.02×5

s=0.1

s0~6点间的时间间隔t=6T=6×0.1

s=0.6

s答案

(1)0.68m/s

(2)0.83m/s问题二v-t图像[情境探究]某小组的同学根据求解瞬时速度的方法,计算出纸带上不同时刻对应的瞬时速度值,以纵轴为速度v,横轴为时间t,建立坐标系,将不同时刻的速度在坐标系中描点(如图甲),最后用平滑曲线来“拟合”实验中描出的点(如图乙)。对比位移—时间图像,速度—时间图像表示什么?v-t图像是描述直线运动还是曲线运动?要点提示

表示物体的速度随时间的变化情况;直线运动。

[知识点拨]1.v-t图像反映了物体的速度随时间变化的规律。根据v-t图像可以读出物体在某时刻的速度或物体的某一速度所对应的时刻。2.判断运动方向。根据速度的正、负判断运动方向,速度为正,表示物体沿正方向运动;速度为负,表示物体沿负方向运动。[实例引导]例2如图所示是一条利用打点计时器打出的纸带,0、1、2、3、4、5、6是七个计数点,每相邻两个计数点之间还有四个计时点未画出,测得各计数点到0点的距离如图所示,求出各计数点的瞬时速度并画出v-t图像。解析

用平均速度代替中间时刻瞬时速度的办法求解各点瞬时速度,v1=0.195

m/s,v2=0.40

m/s,v3=0.61

m/s,v4=0.69

m/s,v5=0.70

m/s,而0点和6点的速度不能求出。建立直角坐标系,横轴表示时间,纵轴表示速度,然后描点,用平滑曲线将描下的点连成线,v-t图像如图所示。答案

见解析

规律方法

在平面直角坐标系中,用横轴表示时间,用纵轴表示速度,根据瞬时速度和相对应的时刻在坐标系中描出各点,再用平滑的曲线连接描出的各点,就得到运动物体的速度—时间图像,即v-t图像,在这一过程中要注意“顺势”平滑,如果有些点难以落在曲线上,应使它们大致均匀分布在曲线的两侧,切忌把各点用折线连接起来。变式训练2(多选)如图所示,为一物体做直线运动的速度—时间图像,在整个运动过程中,下列说法正确的是(

)A.BC段和CD段的运动方向相反B.CD段和DE段的运动方向相反C.物体在D点速度为零,此后运动方向改变D.AB段物体静止解析

由图可知,物体在0~20

s内的速度均为正值,运动方向不变,物体在D点速度为零,此后运动方向改变,A错误,B、C正确;AB段物体的速度为v=5

m/s,D错误。答案

BC

随堂检测1.图示为一物体的速度—时间图像,根据图线做出以下几个判定,正确的是(

)A.物体始终沿正方向运动B.物体先沿负方向运动,在t=2s后开始沿正方向运动C.物体始终沿负方向运动D.物体先沿正方向运动,在t=2s后开始沿负方向运动解析

速度的正负表示速度的方向,由图像知在前2

s内物体沿负方向运动,后2

s内物体沿正方向运动,A、C、D错误,B正确。答案

B2.(多选)(2020贵州黔南州高一月考)某同学在用打点计时器测速度的实验中,根据纸带数据所得出的v-t图像如图所示,对其物理意义叙述正确的是(

)A.在0~6s内,物体以2cm/s的速度做匀速直线运动B.在0~0.12s内物体的平均速度为2cm/sC.在0.12~0.16s内,物体的速度由2cm/s增加到4cm/sD.从8s初开始,物体以8cm/s的速度做匀速直线运动解析

在0~6×0.02

s内,即0.12

s内,物体以2

cm/s的速度做匀速直线运动,故A错误;由上分析可知,在0~0.12

s内物体做匀速直线运动,那么其平均速度为2

cm/s,故B正确;由图像可知,在0.12~0.16

s内,物体的速度由2

cm/s增加到4

cm/s,故C正确;从8×0.02

s,即0.16

s初开始,物体以8

cm/s的速度做匀速直线运动,故D错误。答案

BC3.如图所示的四条纸带是某同学练习使用打点计时器得到的纸带(纸带的左端先通过打点计时器)。从点迹的分布情况可以断定:纸带

运动越来越快,纸带

开始时运动越来越快,后来越来越慢。若所用电源的频率是50Hz,图中纸带D,从A点到B点,历时

s,位移为

m,这段时间内纸带运动的平均速度是

m/s,AD段的平均速度是

m/s。

解析

B纸带相邻两点间距离越来越大,则速度越来越大;D纸带相邻两点间的距离先变大,后变小,说明速度先变大后变小,因此D纸带开始时运动越来越快,后来越来越慢。因为所用电源的频率是50

Hz,则相邻两点间的时间间隔为0.02

s,从A点到B点有两段时间间隔,所以时间为0.04

s,由题图可知,A点到B点位移为0.27

m,这段时间的平均速度

=6.75

m/s。AD段的位移为63

cm,即0.63

m,所用时间为0.08

s,则平均速度=7.875

m/s。答案

B

D

0.04

0.27

6.75

7.8754.在进行“探究小车速度随时间变化的规律”实验中:(1)图1所示实验器材是

(选填“计时”“测速”或“测距”)的仪器。其中必须使用约为8V低压交流电源的是

(选填“甲”或“乙”)。

图1(2)已提供了小车、一端附有滑轮的长木板、纸带、细绳、刻度尺、导线。为了完成实验,还须从图2中选取实验器材:

(此项为多选,请填写相应的字母符号)。

图2(3)实验得到一条清晰的纸带,如图3所示是截取了其中某一段纸带用刻度尺(单位:cm)测量时的情景,其中A、B、C、D、E、F为6个相邻的点迹。已知打点计时器所用电源的频率为50Hz。其中计数点E所在位置的刻度尺读数为

cm,小车加速过程中E点瞬时速度大小为

m/s