新教材2023年秋高中物理第2章勻變速直線運(yùn)動(dòng)的研究第1節(jié)實(shí)驗(yàn)：探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律教師用書含答案新人教版必修第一冊(cè)

第1節(jié)實(shí)驗(yàn)：探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)1．通過實(shí)驗(yàn)探究物體運(yùn)動(dòng)的速度隨時(shí)間變化的規(guī)律，提升實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、處理信息、做出解釋等科學(xué)探究方面的能力。2．描繪物體運(yùn)動(dòng)的v-t圖像，并通過對(duì)擬合成的圖線觀察、思考，找出物體速度變化的規(guī)律。3．經(jīng)歷探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律，體會(huì)研究直線運(yùn)動(dòng)的一般思路。類型一實(shí)驗(yàn)原理與操作【典例1】在“探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)中，(1)下列給出的器材中，有一部分已經(jīng)選好了，請(qǐng)選出還需要的器材。A．電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器B．天平C．低壓交變電源D．低壓直流電源E．細(xì)繩和紙帶F．槽碼和小車G．秒表H．一端有滑輪的長(zhǎng)鋁板I．刻度尺選出的器材有AEFH，還需要________。(2)某同學(xué)按照以下步驟進(jìn)行操作：A．換上紙帶重復(fù)做三次，選擇一條較為理想的紙帶；B．將電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在長(zhǎng)鋁板上沒有滑輪的一端，接上電源；C．把小車停在靠近電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的地方，先放開小車，再啟動(dòng)電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器；D．?dāng)嚅_電源，取下紙帶；E．把一條細(xì)繩拴在小車前端，繩跨過滑輪掛上槽碼，把紙帶固定在小車后端并讓紙帶穿過電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器。以上步驟有錯(cuò)誤的是________(填步驟前的字母)，應(yīng)更正為________；步驟合理的順序是________(填步驟前的字母)。[解析](1)在本實(shí)驗(yàn)中，不需要測(cè)量小車和槽碼的質(zhì)量，因此不需要天平，電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用的是低壓交變電源，因此不需要直流電源，同時(shí)電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄了小車的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，因此不需要秒表，測(cè)量點(diǎn)跡間的距離需要刻度尺，所以還需要的器材是：C、I。(2)以上步驟有錯(cuò)誤的是C，應(yīng)先啟動(dòng)電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，再放開小車；根據(jù)組裝器材、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理的順序知，操作步驟順序?yàn)椋築ECDA。[答案](1)C、I(2)C先啟動(dòng)電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，再放開小車BECDA類型二數(shù)據(jù)處理與分析【典例2】(2022·山東濰坊高一檢測(cè))某學(xué)習(xí)小組利用圖甲裝置研究小車運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。(1)實(shí)驗(yàn)時(shí)將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到頻率為50Hz的交變電源上，得到一條紙帶，打出的部分計(jì)數(shù)點(diǎn)如圖乙所示(每相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有4個(gè)點(diǎn)未畫出)。x1＝4.09cm，x2＝4.91cm，x3＝5.69cm，x4＝6.47cm，x5＝7.28cm，x6＝8.14cm。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，分別計(jì)算了打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在打B、C、D、E、F點(diǎn)時(shí)小車的速度，請(qǐng)將你計(jì)算所得的打C點(diǎn)時(shí)的速度填入表格。位置BCDEFv/(m·s-1)0.45____0.610.690.77(2)根據(jù)(1)中表格數(shù)據(jù)，以打A點(diǎn)時(shí)為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，在坐標(biāo)紙中畫出小車運(yùn)動(dòng)的v-t圖像。(3)根據(jù)圖像得出打A點(diǎn)時(shí)小車的速度為______m/s。(4)根據(jù)圖像求得小車運(yùn)動(dòng)的加速度a＝______m/s2(結(jié)果保留一位有效數(shù)字)。[解析](1)每相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間有四個(gè)點(diǎn)未畫出，故相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔T＝0.1s，由vC＝x2+x32T得vC＝(2)描點(diǎn)作圖如圖所示。(3)由圖可得vA＝0.37m/s。(4)由v-t圖線斜率可得a＝0.8m/s2。[答案](1)0.53(2)見解析圖(3)0.37(4)0.8圖像法處理數(shù)據(jù)時(shí)的兩點(diǎn)注意(1)作圖時(shí)，畫一條直線，要讓盡可能多的點(diǎn)分布在直線上，不在線上的點(diǎn)均勻分布在直線兩側(cè)，離線較遠(yuǎn)的點(diǎn)刪去，注意不可用折線連接。(2)利用v-t圖像求加速度時(shí)，應(yīng)選用直線上相距較遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn)來求直線的斜率，即加速度。不能采用量出直線的傾斜角，然后求出其正切值的方法來計(jì)算加速度，因?yàn)樵搩A斜角還與坐標(biāo)軸的標(biāo)度有關(guān)。類型三創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)【典例3】如圖甲所示是在高速公路上用超聲波測(cè)速儀測(cè)量車速的示意圖。1．實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新思路：測(cè)速儀發(fā)出并接收超聲波脈沖信號(hào)，根據(jù)發(fā)出和接收到的信號(hào)間的時(shí)間差，測(cè)出被測(cè)物體的速度。2．實(shí)驗(yàn)步驟(1)測(cè)速儀發(fā)出的超聲波信號(hào)，圖乙中P1、P2是測(cè)速儀發(fā)出的超聲波信號(hào)。(2)由汽車反射回來的信號(hào)，n1、n2分別是P1、P2反射回來的信號(hào)。(3)測(cè)出P1、P2之間的時(shí)間間隔Δt＝1.0s，已知超聲波在空氣中傳播的速度是v＝340m/s，若汽車是勻速行駛的。3．?dāng)?shù)據(jù)分析：根據(jù)圖乙可知，汽車在接收到P1、P2兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間內(nèi)前進(jìn)的距離是________m，汽車的速度是________m/s。[解析]題圖乙中每小格代表的時(shí)間間隔t0＝Δt30＝130s，從發(fā)出超聲波信號(hào)P1到接收到反射信號(hào)n1的時(shí)間為t1＝12×130s＝0.4s，信號(hào)P1到達(dá)汽車時(shí)汽車離測(cè)速儀的距離為x1＝12vt1＝12×340×0.4m＝68m。從發(fā)出超聲波信號(hào)P2到接收到反射信號(hào)n2的時(shí)間為t2＝9×130s＝0.3s。信號(hào)P2到達(dá)汽車時(shí)汽車離測(cè)速儀的距離為x2＝12vt2＝12×340×0.3m＝51m。汽車接收到P1、P2兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間內(nèi)前進(jìn)的距離為Δx＝x1－x2＝(68－51)m＝17m。由題圖乙可看出測(cè)速儀發(fā)出的超聲波信號(hào)P1接觸到汽車到測(cè)速儀發(fā)出的超聲波信號(hào)P2接觸到汽車的時(shí)間間隔這段時(shí)間即為汽車前進(jìn)17m所用的時(shí)間，所以汽車的速度為v＝Δxt＝[答案]1717.91．圖甲(圖中長(zhǎng)木板水平固定)是高中物理常用的力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，現(xiàn)用該裝置完成“探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律”。(1)圖乙中的實(shí)驗(yàn)照片是否有實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤、不合理或不必要之處？若存在問題，請(qǐng)指明問題所在。_____________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)下列措施有助于減小實(shí)驗(yàn)誤差的是________。A．選用輸出電壓穩(wěn)定性更佳的恒定電源B．選用輸出電壓變化周期更穩(wěn)定的交流電源C．調(diào)節(jié)滑輪高度，使拉線與長(zhǎng)木板平行D．實(shí)驗(yàn)中滿足槽碼質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量ME．實(shí)驗(yàn)前先平衡小車與木板間的摩擦力[解析](1)照片A：實(shí)驗(yàn)有錯(cuò)誤之處，選用蓄電池作為電源。照片B：實(shí)驗(yàn)有不合理之處，小車起始點(diǎn)離打點(diǎn)計(jì)時(shí)器過遠(yuǎn)。(2)選用輸出電壓穩(wěn)定性更佳的恒定電源，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器不能計(jì)時(shí)，A錯(cuò)誤；選用輸出電壓變化周期更穩(wěn)定的交流電源可使打點(diǎn)周期穩(wěn)定，減小誤差，B正確；調(diào)節(jié)滑輪高度，使拉線與長(zhǎng)木板平行，可減小誤差，C正確；測(cè)定小車的速度不需要滿足槽碼的質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量M，也不需要實(shí)驗(yàn)前先平衡小車與木板間的摩擦力，D、E錯(cuò)誤。[答案](1)見解析(2)BC2．(2022·湖北部分重點(diǎn)高中高一上期中)小明同學(xué)按如圖所示裝置做“探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)。(1)釋放小車時(shí)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示，指出該裝置或操作中錯(cuò)誤的是________。A．電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接在直流電源上了B．小車質(zhì)量沒有遠(yuǎn)大于槽碼質(zhì)量C．小車離打點(diǎn)計(jì)時(shí)器過遠(yuǎn)(2)如圖乙為改正裝置后打下的一條紙帶的中間部分，A、B、C、D為其中連續(xù)打出的四個(gè)點(diǎn)(已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)時(shí)間間隔T＝0.02s)。由于操作不慎，C點(diǎn)模糊了，小明仍用此紙帶來研究。從圖上可以讀得A點(diǎn)在刻度尺上位置的讀數(shù)為________cm，在打下C點(diǎn)時(shí)小車的速度最接近于________m/s(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)。[解析](1)電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)接在交變電源上；不需要小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于槽碼質(zhì)量；小車應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的位置，故選A、C。(2)A點(diǎn)在刻度尺上位置的讀數(shù)為3.00cm；打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)時(shí)間間隔T＝0.02s，在打下C點(diǎn)時(shí)小車的速度vC＝xD-xB2T＝[答案](1)AC(2)3.001.403．在用電火花計(jì)時(shí)器“探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律”實(shí)驗(yàn)中，圖甲是一次記錄小車運(yùn)動(dòng)情況的紙帶，圖中A、B、C、D、E為相鄰的計(jì)數(shù)點(diǎn)，相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有四個(gè)點(diǎn)未畫出。(電源頻率為50Hz)。(1)根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)有關(guān)公式可求得vB＝1.38m/s，vC＝________m/s，vD＝3.90m/s。(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)(2)利用求得的數(shù)值在圖乙所示坐標(biāo)紙上作出小車的v-t圖像(從打A點(diǎn)時(shí)開始計(jì)時(shí))。利用紙帶上的數(shù)據(jù)求出小車運(yùn)動(dòng)的加速度大小a＝________m/s2。(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)(3)將圖線延長(zhǎng)與縱軸相交，交點(diǎn)的縱坐標(biāo)是0.12m/s，此交點(diǎn)的物理意義是____________________________________________________________________。[解析](1)打C點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的速度為vC＝xBD2T＝60.30-7.50(2)用描點(diǎn)法作出小車的v-t圖像如圖所示。由圖知小車運(yùn)動(dòng)的加速度大小a＝vD-vBtD-t(3)此交點(diǎn)表示從A點(diǎn)開始計(jì)時(shí)時(shí)，小車的速度大小為0.12m/s。[答案](1)2.64(2)見解析圖12.6(3)從A點(diǎn)開始計(jì)時(shí)時(shí)，小車的速度大小為0.12m/s4．(2022·全國乙卷節(jié)選)用雷達(dá)探測(cè)一高速飛行器的位置。從某時(shí)刻(t＝0)開始的一段時(shí)間內(nèi)，該飛行器可視為沿直線運(yùn)動(dòng)，每隔1s測(cè)量一次其位置，坐標(biāo)為x，結(jié)果如下表所示：t/s0123456x/m050710941759250533294233回答下列問題：(1)當(dāng)x＝507m時(shí)，該飛行器速度的大小v＝________m/s。(2)這段時(shí)間內(nèi)該飛行器加速度的大小a＝________m/s2(保留2位有效數(shù)字)。[解析](1)將表格中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化如圖，則x1＝507m，x2＝587m，x3＝665m，x4＝746m，x5＝824m，x6＝904m，可得x2－x1＝