人教版高中物理必修第一册2.1实验:探究小车速度随时间变化的规律 导学案
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人教版高中物理必修第一册2.1实验:探究小车速度随时间变化的规律 导学案

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时间:2022-08-30

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资料简介
2019-2020年高中物理人教版必修一教学案:第二章第1节实验:探究小车速度随时间变化的规律(含答案)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图像处理实验数据。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图像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图像,图线的倾斜程度表示加速度的大小,如果vt图像是一条倾斜的直线,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211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。图2112.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,找一个适当的点当作计时起点(0点),每5个点(相隔0.1s)取一个计数点进行测量,如图212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。 图212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=。例如,图中计数点4的速度v4=。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图像分析运动规律(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213所示。图213(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图像求出小车运动的加速度a=。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图像时,注意坐标轴单位长度的选取,应使图像尽量分布在坐标平面中央。 [例1] 如图214甲所示,用打点计时器记录小车的运动情况。小车开始在水平玻璃板上运动,后来在薄布面上做减速运动。所打出的纸带及相邻两点间的距离(单位:cm)如图乙所示,纸带上相邻两点间对应的时间间隔为0.02s。试用作图法(vt图像)求出小车在玻璃板上的运动速度。图214[解析] 设对应点1、2、3、4、5的瞬时速度分别为v1、v2、v3、v4、v5,则有v1=cm/s=75cm/s=0.75m/s,v2=cm/s=65cm/s=0.65m/s,v3=cm/s=55cm/s=0.55m/s,v4=cm/s=45cm/s=0.45m/s,v5=cm/s=35cm/s=0.35m/s,以速度为纵坐标,以时间为横坐标建立直角坐标系。用描点法作出小车在薄布上做减速运动时的vt图像。将图像延长,使其与纵轴相交,如图所示。由图像可知,小车做减速运动的初速度为0.85m/s,即为小车在玻璃板上的运动速度。[答案] 0.85m/s[例2] 一小球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,记录下小球每次曝光的位置,并将小球的位置编号。如图215甲所示,1位置恰为小球刚开始运动的瞬间,作为零时刻。摄影机连续两次曝光的时间间隔均相同,小球从1位置到6位置的运动过程中经过各位置的速度分别为v1=0,v2=0.06m/s,v3=________m/s,v4=0.18m/s,v5=________m/ s。在图乙所示的坐标纸上作出小球的速度—时间图像(保留描点痕迹)。图215[解析] 如题图所示,x1+x2=0.06m,而v2=m/s=0.06m/s,故T=0.5s,则v3==m/s=0.12m/s又x4+x5=0.24m,则v5==m/s=0.24m/s。其vt图像如图所示。[答案] 0.12 0.24 图见解析1.(多选)在做“探究小车速度随时间变化的规律”的实验时,下列方法中有利于减小实验误差的是(  )A.选取计数点,把每5个点的时间间隔作为一个时间单位B.使小车运动的加速度尽量小些C.舍去纸带上密集的点,只利用点迹清晰、点间间隔适当的那一部分点进行测量、计算D.选用各处平整程度、光滑程度相同的长木板做实验解析:选ACD 把每打五个点的时间间隔作为一个时间单位,这样可以增加测量点间的距离,减小测量过程所产生的误差,A正确。小车的加速度过小,则物体运动间距太密集,测量误差较大,B错误。纸带上密集的点,点间间距过小,测量误差较大,应舍去而只利用点迹清晰、点间间隔适当的那部分进行测量、计算,C正确。选用各处平整程度相同的长木板做实验,这样受力均匀,加速度变化小,实验误差小,D正确。2.(多选)如图216甲、乙所示为同一打点计时器打出的两条纸带,由纸带可知(  )图216 A.在打下计数点“0”至“5”的过程中,纸带甲的平均速度比乙的大B.在打下计数点“0”至“5”的过程中,纸带甲的平均速度比乙的小C.纸带甲的加速度比乙的大D.纸带甲的加速度比乙的小解析:选BD 由题图纸带可以看出,打下计数点“0”至“5”的过程中,甲的位移比乙的小,而经历的时间相等,则甲的平均速度小于乙的平均速度,故A错误,B正确。纸带甲点迹均匀,则其加速度为零,而纸带乙的速度减小,加速度不为零,故C错误,D正确。3.在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中:(1)下列哪些器材是多余的:_________________________________________________。①电磁打点计时器 ②天平 ③低压直流电源 ④细绳⑤纸带 ⑥小车 ⑦钩码 ⑧秒表 ⑨一端有滑轮的长木板(2)为达到实验目的,还需要的器材是:________________________________________。解析:实验中给电磁打点计时器供电的是低压交流电源,而非低压直流电源。实验中小车的运动时间可以从所打纸带上得出,而不使用秒表测量,另外此实验不需要测质量。在此实验中还需用刻度尺测量计数点间的距离。答案:(1)②③⑧ (2)低压交流电源、刻度尺4.以下是探究小车速度随时间变化规律的实验的一些步骤,其正确顺序是________。①把穿过打点计时器的纸带固定在小车上;②把打点计时器固定在木板上,并接好电路;③更换纸带,再做两次;④把长木板放在桌面上,并使滑轮伸出桌面;⑤使小车停在打点计时器附近,先接通电源,后放开小车;⑥将细绳拴在小车上并绕过定滑轮,下面挂上适量的钩码;⑦断开电源,取出纸带。解析:在实验中,应先固定好木板,再固定打点计时器,将纸带穿过打点计时器并固定在小车上,绕过定滑轮,并挂上适量钩码。准备就绪后应先让小车停在打点计时器附近,然后接通电源,再释放小车,打点结束后关闭电源,更换纸带,再做两次。答案:④②①⑥⑤⑦③5.在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中,电火花打点计时器使用的交流电源频率为50Hz,记录小车运动的纸带如图217甲所示,在纸带上选择标为0~6的计数点,相邻两个计数点间还有四个计时点未画出,纸带旁边并排放着毫米刻度尺,零刻度点跟0计数点对齐。(1)请你根据放大的图片计算出打2和4两个计数点时的速度v2=________m/s、v4 =________m/s(均保留2位有效数字),已知v1=0.15m/s,v3=0.22m/s,v5=0.39m/s,请根据数据在图乙上作vt图。(2)电源频率低于50Hz时,若仍按照50Hz计算,则测出的速度值将比真实值________。(选填“大”或者“小”)图217解析:(1)v2==m/s=0.21m/sv4==m/s=0.33m/s根据各速度值作vt图如图所示(2)当电源的频率为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,打点的时间间隔将大于0.02s,若计算速度时仍按0.02s计算,由=可得,测出的速度值大于真实值。答案:(1)0.21 0.33 vt图见解析 (2)大6.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,小车在恒定外力作用下运动,如图218甲所示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。所用电源的频率为50Hz。 图218(1)由纸带根据运动学有关公式可求得vB=1.38m/s,vC=________m/s,vD=3.90m/s。(2)利用纸带上的数据求出小车运动的加速度a=______m/s2。(3)若实验中以打A点时开始计时,利用所得的数据在图乙中作出小车的vt图线,将图线延长线与纵轴相交,此交点纵轴坐标的物理意义是________________________________。解析:(1)电源频率为50Hz,则周期为0.02s,相邻计数点间还有四个点未画出,则可知相邻计数点间的时间间隔为T=0.02×5s=0.1s,C点的瞬时速度为vC==m/s=2.64m/s。(2)纸带加速度为a===m/s2=12.6m/s2。(3)用描点法作出小车的vt图线,将图线延长与纵轴相交,此交点纵轴坐标的物理意义是打点计时器开始计时时的速度,即打下A点时纸带对应的速度。答案:(1)2.64 (2)12.6(3)开始计时时,小车的速度(或vA)7.在做“匀加速直线运动的实验探究”的实验中,打点计时器接在50Hz的低压交变电源上,某同学在打出的纸带上每5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)。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219所示,由此可以得到一条表示vt关系的图线,从而求出加速度的大小。 图219(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(作答在图上),其________(填“x”或“y”)轴相当于v轴。(2)从第一个计数点开始计时,为求出0.15s时刻的瞬时速度,需要测出________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)分别取a、b、c、d、e五段的上方中点,并连线,得到的即为vt图像,如图所示,y轴相当于v轴。(2)t=0.15s是BC时间段的中间时刻,要求t=0.15s时的瞬时速度,只需要测b纸带的长度sb,然后用=即可求得t=0.15s时的速度。(3)a、e段各自中间时刻的速度分别为va=,ve=,根据a=得a=2m/s2。答案:(1)图见解析 y (2)b (3)2

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