人教版高中物理必修一21实验探究小车速度随时间变化的规律学案.docx

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人教版高中物理必修一21实验探究小车速度随时间变化的规律学案

1　实验：

探究小车速度随时间变化的规律

[目标定位]　1.进一步练习使用打点计时器并会利用平均速度求瞬时速度.2.会利用vt图象处理实验数据.3.尝试用vt图象表示运动规律．

1．实验原理：

由纸带还可以间接测量瞬时速度，方法是以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．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．

3．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，把小车不同时刻的速度进行描点，然后用平滑的曲线（包括直线）连接这些点．

　想一想：

若在描点作速度时间图象时，有个别点偏离大致位置较远，该怎么处理这些点？

答案　在描点作图时，让图线通过尽可能多的点，不在图线上的点均匀分布在图线的两侧，偏差较大的点舍去．

一、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211

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．把小车停在打点计时器处，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系列小点，随后立即关闭电源．

4．换上新纸带，重复实验三次．

二、数据处理

1．表格法

（1）从几条纸带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

（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．

（4）根据表格的数据，分析速度随时间怎么变化．

2．图象法

（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）根据画出的vt图象求出小车运动的加速度a＝.

三、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，立即断开电源．

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．

例1　在“探究小车的速度随时间变化的规律”的实验中，某同学操作过程中有以下实验步骤：

A．拉住纸带，将小车移至靠近打点计时器处，先放开纸带，再接通电源；

B．将打点计时器固定在长木板上，并连接好电路；

C．把一条细绳拴在小车上，细绳跨过定滑轮，下边吊着适当重的钩码，放手后看小车能否在木板上做平稳的加速运动；

D．取下纸带；

E．把一端附有定滑轮的长木板平放在实验桌上，并使附有定滑轮的一端伸出桌面；

F．将纸带固定在小车尾部，并穿过打点计时器的限位孔；

G．换上新纸带，重复操作两次．

（1）其中有错误的步骤是____________；应改正为____________________．

（2）将改正后的步骤按合理的顺序写在横线上：

步骤顺序为______________________．

解析　

（1）打点计时器在使用时，为了使打点稳定，同时为了提高纸带的利用率，使尽量多的点打在纸带上，要应先接通电源，再放开纸带，故A错误．

（2）本着先安装器材，后进行实验的思路，如在该实验中，先固定长木板，安装打点计时器，准备完毕开始进行实验，注意要先打点后释放小车，做完一次实验要及时关闭电源，故正确的实验步骤是EBCFADG.

答案　

（1）A　应先接通电源，再放开纸带　（D　取下纸带前应先断开电源）　

（2）EBCFADG

例2　（2013～2014江苏高一期中）在《探究小车的速度随时间变化的规律》的实验中，利用打点计时器打出了如图214所示的一条纸带，其中1、2、3、4、5、6均为记数点，且相邻的两个计数点之间都还有4个点没有画出来，已知电源的频率为50Hz.现测得：

s1＝1.40cm，s2＝1.90cm，s3＝2.40cm，s4＝2.90cm，s5＝3.40cm，s6＝3.90cm.

图214

（1）在打点计时器打出点2、3、4、5、6时，小车的速度分别为：

v2＝________cm/s，v3＝________cm/s，v4＝________cm/s，v5＝________cm/s.

（2）在图215的坐标纸上作出速度—时间图象（从1开始计时）．

图215

（3）根据作出的速度—时间图象，求出小车的加速度为________m/s2（取二位有效数字）．

解析　

（1）打点计时器打出点2、3、4、5、6时小车的速度可利用平均速度求出，分别为v2＝＝16.50cm/s，v3＝＝21.50cm/s，v4＝＝26.50cm/s，v5＝＝31.50cm/s.

（2）如图所示：

（3）求出图象的斜率可得a＝k＝＝×10－2m/s2＝0.50m/s2

答案　

（1）16.50　21.50　26.50　31.50　

（2）如解析图所示　（3）0.50m/s2　误差±0.03

1．在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，下列方法有助于减少实验误差的是（　　）

A．选取计数点，把每打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．舍去纸带上开始时密集的点，只利用点迹清晰、间隔适当的那一部分进行测量、计算

D．适当减少挂在细绳下钩码的个数

解析　实验中应区别计时器打出的轨迹点与人为选取的计数点，通常每隔4个轨迹点选1个计数点，这样计数点间的距离大些，测量时相对误差较小，A正确；小车的加速度应适当大一些，在纸带上计数点间的距离大，测量的相对误差较小，B错误；舍去纸带上密集的点，只利用点迹清晰，点间隔适当的那一部分进行测量，这样测量的相对误差减小，C正确；适当增加挂在细绳下钩码的个数，既可以打出足够多点，又可以让位移尽量大，利于减小误差．D错误．故选AC.

答案　AC

2．在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，算出小车经过各计数点的瞬时速度，为了计算加速度，合理的方法是（　　）

A．根据任意两计数点的速度，用公式a＝Δv/Δt算出加速度

B．根据实验数据画出vt图象，量出其倾角，由公式a＝tanα求出加速度

C．根据实验数据画出vt图象，由图象上相距较远的两点所对应的速度、时间的值用公式a＝Δv/Δt算出加速度

D．依次算出通过连续两计数点间的加速度，算出平均值作为小车的加速度

解析　方法A偶然误差大，方法D实际上也仅由初、末两个速度决定，偶然误差也较大，只有利用实验数据画出对应的vt图象，才可充分利用各次测量数据，减小偶然误差．由于在物理图象中，两坐标轴的分度往往是不相等的，根据同一组数据，可以画出倾角不同的许多图线，方法B是错误的，正确的方法是根据图象找出不同时刻所对应的速度值，然后利用公式a＝Δv/Δt算出加速度，即方法C正确．

答案　C

3．（2013～2014海南高一段考）如图216所示，是某同学由打点计时器得到的表示小车运动过程的一条清晰纸带，纸带上两相邻计数点间还有四个点没有画出，其中x1＝7.05cm、x2＝7.68cm、x3＝8.33cm、x4＝8.95cm、x5＝9.61cm、x6＝10.27cm.

图216

（1）下表列出了打点计时器打下B、D、F时小车的瞬时速度，请在表中填入打点计时器打下C、E两点时小车的瞬时速度（保留三位有效数字）.

（2）以A点为计时起点，在坐标图217中画出小车的速度—时间关系图线．

图217

（3）根据你画出的小车的速度—时间的关系图线计算出的小车的加速度a＝________m/s2.（保留两位有效数字）

解析　vC＝＝0.801m/s，vE＝＝0.928m/s，根据速度—时间关系图线可以得到图象的斜率即加速度的大小的范围为0.61～0.66m/s2.

答案　

（1）0.801　0.928　

（2）如图所示

（3）0.61～0.66

（时间：

60分钟）

1．在做“探究小车速度随时间变化的规律”实验时，根据打点计时器打出的纸带，我们可以不利用公式计算就能直接得到的物理量是（　　）

A．时间间隔B．瞬时速度

C．加速度D．某段时间内的位移

解析　打点计时器是每隔0.02s打下一个点，所以数点就知道时间间隔，故A正确．瞬时速度的求解需要运用平均速度的公式，故B错误．加速度求解需要运用公式或利用图象求斜率，故C错误．位移利用刻度尺直接测量两点之间的距离．故D正确．故选A、D.

答案　AD

2．关于用打点计时器“探究小车速度随时间变化的规律”的实验，下列说法中正确的是（　　）

A．打点计时器应固定在长木板上，且靠近滑轮一端

B．开始实验时小车应靠近打点计时器一端

C．应先接通电源，待打点稳定后再释放小车

D．牵引小车的钩码个数越多越好

解析　打点计时器应固定在长木板上没有滑轮的一端，A错误；小车开始时靠近打点计时器是为了使小车的运动距离较大，B正确；若先释放小车后接通电源只能在纸带的后面部分打点，C正确；钩码个数太少，打点密集，钩码个数太多，打点太少，都会带来实验误差，D错误．

答案　BC

3．在“探究小车速度随时间变化的规律”实验中，下列说法不正确的是（　　）

A．纸带上可以每隔任意相同数量的点选取一个计数点

B．使用刻度尺测量长度时，要进行估读

C．作vt图象时，所描曲线必须经过每一个点

D．在数据处理时，常用公式法和图象法

解析　实验中可以每隔任意相同数量的点选取一个计数点，但相隔四个点时取计数点时间间隔为0.1s，计算时更方便，A对；使用刻度尺测长度时，要进行估读，B对；作vt图象时，应使尽量多的点落在线上，离线较远的点大胆舍弃，C错；数据处理可选择公式法和图象法中的其中一个，D对．

答案　C

图218

4．如图218所示为同一打点计时器打出的两条纸带，由纸带可知（　　）

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　在打下计数点“0”至“5”的过程中，两纸带所用时间相同，但甲纸带位移小于乙纸带位移，故v甲

答案　BD

图219

5．在《探究小车速度随时间变化的规律》实验中，更换不同砝码重复三次实验，经数据处理做作三条vt图象，如图219所示，则下列选项正确的是（　　）

A．三次实验中加速度最大的是图中直线c

B．三次实验中加速度最大的是图中直线a

C．图象为倾斜的直线表示小车的速度恒定

D．图象为倾斜的直线表示小车的加速度恒定

解析　根据图象可知，a的斜率最大，因此加速度最大，A错误，B正确；图象为倾