實(shí)驗(yàn)：+探究小車速度隨時間變化的規(guī)律+高一上學(xué)期物理人教版（2019）必修第一冊

第1節(jié)

實(shí)驗(yàn)：探究小車速度隨時間變化的規(guī)律第2章

勻變速直線運(yùn)動的研究

高中物理人教版（2019）必修第一冊在生活中，人們跳遠(yuǎn)助跑、水中嬉戲、駕車行駛、短道速滑.在自然界里，物體下落、鴿子飛翔、獵豹捕食、蝸牛爬行、螞蟻搬家……這些運(yùn)動中都有速度的變化．物體的速度變化存在規(guī)律嗎？怎樣探索速度隨時間變化的規(guī)律呢？觀察與思考一、實(shí)驗(yàn)思路1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.實(shí)驗(yàn)方案：觀察與思考讓小車在木板上在重物的牽引下運(yùn)動槽碼牽引小車在長木板上運(yùn)動探究小車速度隨時間變化的規(guī)律.觀察與思考需要測量小車運(yùn)動不同時刻的速度測量位移和時間刻度尺測量位移由紙帶直接讀出時間小車拖動紙帶運(yùn)動，打點(diǎn)計(jì)時器打出點(diǎn)跡二、實(shí)驗(yàn)器材槽碼小車細(xì)繩紙帶打點(diǎn)計(jì)時器一端附有定滑輪的長木板其他：復(fù)寫紙導(dǎo)線刻度尺學(xué)生電源三、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)1.在長木板上固定打點(diǎn)計(jì)時器，并使滑輪伸出桌面，連接電路.讓小車停在靠近打點(diǎn)計(jì)時器的位置，安裝好紙帶，連接細(xì)繩和槽碼.2.先啟動打點(diǎn)計(jì)時器，后釋放小車，打點(diǎn)完成后關(guān)閉電源，觀察紙帶的點(diǎn)跡是否清晰.3.增減所掛的槽碼(或在小車上放置重物)，更換紙帶，再做兩次實(shí)驗(yàn).4.實(shí)驗(yàn)獲得的紙帶視頻演示四、數(shù)據(jù)分析1.數(shù)據(jù)記錄

選取紙帶、確定計(jì)數(shù)點(diǎn)并進(jìn)行測量(1)在三條紙帶中選擇一條最清晰的紙帶.(2)為了便于測量，一般舍掉紙帶開頭一些過于密集的點(diǎn)，找一個適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)作為計(jì)時起點(diǎn)0.(3)每5個點(diǎn)(相隔0.1s)取1個計(jì)數(shù)點(diǎn)進(jìn)行測量.

(如下圖，相鄰兩點(diǎn)中間有4個點(diǎn)未畫出).0.10s0.10s舍掉過于密集/不清晰的點(diǎn)(4)根據(jù)前面所選的計(jì)數(shù)點(diǎn)直接測量各計(jì)數(shù)點(diǎn)到0點(diǎn)的距離：x1、x2、x3、x4、x5…，再計(jì)算出相鄰的兩個計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離：Δx1＝x1，Δx2＝x2－x1，Δx3＝x3－x2，Δx4＝x4－x3，Δx5＝x5－x4，…，填入自己設(shè)計(jì)的表中.減小測量誤差x1x2x3x4x5Δx1Δx2Δx3Δx4Δx52.數(shù)據(jù)處理

求解并記錄各計(jì)數(shù)點(diǎn)的瞬時速度(1)取該計(jì)數(shù)點(diǎn)相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)，算出此段的平均速度，該點(diǎn)的瞬時速度近似等于此段的平均速度(注意估讀、單位以及有效數(shù)字).T為相鄰兩個計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時間間隔，若交變電源頻率為50Hz，每5個點(diǎn)取一個計(jì)數(shù)點(diǎn)(中間隔4個點(diǎn))，則T＝0.1s.(2)把各計(jì)數(shù)點(diǎn)的瞬時速度，填入表中標(biāo)有“v1”的一行.同理，計(jì)算增減槽碼后兩次實(shí)驗(yàn)的速度，分別填入表中標(biāo)有“v2”和“v3”的兩行內(nèi).位置編號0123456...時間t/s00.10.20.30.40.50.6v1/(m·s-1)v2/(m·s-1)v3/(m·s-1)...3.數(shù)據(jù)分析

測量示例位置編號0123456時間t/s00.10.20.30.40.50.6v1/(m·s-1)／0.450.600.740.891.031.19（1）小車速度隨時間的變化有什么規(guī)律？小車速度逐漸變大，做加速運(yùn)動（2）如何形象地看出小車速度隨時間的變化的規(guī)律？

思考與討論(1)作出v－t圖像①在坐標(biāo)紙上建立坐標(biāo)系，描出數(shù)據(jù)點(diǎn)；②用一條平滑曲線(包括直線)

“擬合”這些點(diǎn)，讓這條線通過盡可能多的點(diǎn)，不在線上的點(diǎn)均勻分布在曲線兩側(cè)，偏差比較大的點(diǎn)忽略不計(jì).v－t圖像的數(shù)據(jù)點(diǎn)基本分布在一條直線上.0

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0.61.21.00.80.60.40.2t/sv/(m·s-1)(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)論0

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0.61.21.00.80.60.40.2t/sv/(m·s-1)小車運(yùn)動的v－t圖像是一條傾斜的直線，說明速度隨時間均勻增加，它們成“線性關(guān)系”，即小車運(yùn)動的加速度不變.0

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0.61.21.00.80.60.40.2t/sv/(m·s-1)(1)以作出的圖像為例，你能求出小車運(yùn)動的加速度嗎？

=1.48m/s(2)那么能不能直接量出直線傾角，然后求其正切值來計(jì)算加速度？不能，一般情況下兩坐標(biāo)軸標(biāo)度選取不一致

思考與討論五、注意事項(xiàng)觀察與思考(1)要使紙帶、小車、拉線和定滑輪共線，安裝打點(diǎn)計(jì)時器時應(yīng)注意什么？

使打點(diǎn)計(jì)時器的限位孔沿長木板的縱軸中心線方向。(2)為了保證小車的運(yùn)動距離，開始釋放小車的時候，應(yīng)將小車放在什么位置？

小車應(yīng)該靠近打點(diǎn)計(jì)時器。(3)為了使打點(diǎn)計(jì)時器工作更穩(wěn)定并提高紙帶的利用率，應(yīng)如何操作？

先接通電源，后釋放小車。打點(diǎn)完畢，馬上關(guān)閉電源。(4)為什么要增減所掛槽碼（或在小車上放置重物）重復(fù)操作兩次？

探究規(guī)律，減小實(shí)驗(yàn)偶然性1.操作實(shí)驗(yàn)的過程的注意事項(xiàng)2.數(shù)據(jù)處理的注意事項(xiàng)(1)選取一條點(diǎn)跡清晰的紙帶，舍掉開頭點(diǎn)跡密集部分，選取適當(dāng)?shù)挠?jì)數(shù)點(diǎn)(注意計(jì)數(shù)點(diǎn)與計(jì)時點(diǎn)的區(qū)別)，弄清楚所選的時間間隔T等于多少.(2)不要分段測量各段距離，應(yīng)盡可能地一次測量完畢(可統(tǒng)一測量出各計(jì)數(shù)點(diǎn)到計(jì)時起點(diǎn)的距離).(3)在坐標(biāo)紙上作v－t圖像時，注意坐標(biāo)軸單位長度的選取，應(yīng)使圖像大致布滿坐標(biāo)紙.1.在“探究小車速度隨時間變化的規(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，請選出還需要的器材.A.電磁打點(diǎn)計(jì)時器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.一端有滑輪的長鋁板Ι.刻度尺選出的器材有AEFH，還需要______.C、I在本實(shí)驗(yàn)中，不需要測量小車和槽碼的質(zhì)量，因此不需要天平，電磁打點(diǎn)計(jì)時器使用的是低壓交變電源，因此不需要直流電源，同時電磁打點(diǎn)計(jì)時器記錄了小車的運(yùn)動時間，因此不需要秒表.測量點(diǎn)跡間的距離需要刻度尺，所以還需要的器材是：C、I.(2)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)時器固定在長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)時器的地方，先放開小車，再啟動電磁打點(diǎn)計(jì)時器；D.斷開電源，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)時器.以上步驟有錯誤的是___(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).C先啟動電磁打點(diǎn)計(jì)時器，再放開小車BECDA以上步驟有錯誤的是C，應(yīng)先啟動電磁打點(diǎn)計(jì)時器，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.2.某同學(xué)在做“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”實(shí)驗(yàn)中，用打點(diǎn)計(jì)時器得到表示小車運(yùn)動過程的一條清晰紙帶并使用一把毫米刻度尺測量了各點(diǎn)間距離，如圖所示，圖中四個數(shù)據(jù)中不符合正確讀數(shù)要求的是_____(填數(shù)值).若紙帶上兩相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間均有4個點(diǎn)未畫出，已知打點(diǎn)計(jì)時器所用電源的頻率為50Hz，則B點(diǎn)對應(yīng)的小車速度大小vB＝_____m/s，小車運(yùn)動的加速度大小a＝_____m/s2.(后兩空均保留兩位有效數(shù)字)5.40.170.20毫米刻度尺測量結(jié)果應(yīng)準(zhǔn)確到1mm，估讀到0.1mm，所以不符合正確讀數(shù)要求的是5.4.3.在做“實(shí)驗(yàn)：探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”中，算出各計(jì)數(shù)點(diǎn)小車的瞬時速度如下表：計(jì)數(shù)點(diǎn)序號123456計(jì)數(shù)點(diǎn)對應(yīng)的時刻t/s0.10.20.30.40.50.6小車的瞬時速度v/(cm·s－1)44.062.081.0100.0110.0168.0計(jì)數(shù)點(diǎn)序號123456計(jì)數(shù)點(diǎn)對應(yīng)的時刻t/s0.10.20.30.40.50.6小車的瞬時速度v/(cm·s－1)44.062.081.0100.0110.0168.0為了算出小車的加速度，最好的方法是A.根據(jù)任意兩個計(jì)數(shù)點(diǎn)的速度，用公式算出加速度B.依次算出連續(xù)兩個計(jì)數(shù)點(diǎn)間的加速度，算出平均值作為小車的加速度C.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出v－t圖像，量出其傾角α，由公式a＝tanα算出加速度D.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出v－t圖像，由圖像上任意兩點(diǎn)所對應(yīng)的速度，用公式a＝

算出加速度√根據(jù)任意兩個計(jì)數(shù)點(diǎn)的速度，用公式算出加速度，偶然誤差較大，實(shí)驗(yàn)誤差較大，故A錯；依次算出連續(xù)兩個計(jì)數(shù)點(diǎn)間的加速度，算出平均值作為小車的加速度，不能有效的剔除誤差較大的點(diǎn)，故B錯；當(dāng)縱坐標(biāo)取不同的標(biāo)度時，圖像的傾角就會不同，故C錯.只有利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出對應(yīng)的v－t圖像，才可以充分利用測量數(shù)據(jù)，減少偶然誤差，故D正確.4.在用打點(diǎn)計(jì)時器做“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)中，得到如圖甲所示的一條記錄小車運(yùn)動情況的紙帶，圖中A點(diǎn)作為計(jì)時起點(diǎn)，A、B、C、D、E為相鄰的計(jì)數(shù)點(diǎn)，每相鄰的兩個計(jì)數(shù)點(diǎn)之間還有4個點(diǎn)沒有畫出，計(jì)時器打點(diǎn)的時間間隔為0.02s.(計(jì)算結(jié)果均保留3位有效數(shù)字)(1)由圖可知，打點(diǎn)計(jì)時器打出D點(diǎn)時小車的瞬時速度大小為vD＝____m/s.1.95計(jì)時器打點(diǎn)的時間間隔為0.02s，每相鄰的兩個計(jì)數(shù)點(diǎn)之間還有四個點(diǎn)沒有畫出，故相鄰兩個計(jì)數(shù)點(diǎn)的時間間隔為0.1s；根據(jù)勻變速直線運(yùn)動中中間時刻的速度等于該過程中的平均速度，(2)在打點(diǎn)計(jì)時器打B、C兩點(diǎn)時，小車的速度大小分別為vB＝0.69m/s，vC＝1.32m/s，請?jiān)趫D乙的坐標(biāo)系中畫出小車的v－t圖像.答案見解析圖v－t圖像如圖所示(3)小車運(yùn)動的加速度大小為a＝____m/s2，打點(diǎn)計(jì)時器打出A點(diǎn)時小車的瞬時速度大小vA＝_____m/s.6.30.06(4)如果當(dāng)時打點(diǎn)計(jì)時器所用交流電的頻率是f＝49Hz，而做實(shí)驗(yàn)的同學(xué)并不知道，這樣測得的加速度結(jié)果比實(shí)際值偏___(選填“大”或“小”).大如果在某次實(shí)驗(yàn)中，交流電的頻率為49Hz，那么實(shí)際周期大于0.02s，真實(shí)的加速度值會偏小，所以測量的加速度值與實(shí)際的加速度值相比是偏大的.5.為研究小車沿斜面向下運(yùn)動的規(guī)律，把紙帶的一端固定在小車上，小車拖動紙帶運(yùn)動時，紙帶上打出的點(diǎn)如圖所示.(1)某同學(xué)用以下方法繪制小車的v－t圖像.先把紙帶每隔0.1s剪斷，得到若干短紙條.再把這些紙條并排貼在一張紙上，使這些紙條下端對齊，作為時間坐標(biāo)軸，標(biāo)出時間.最后將紙條上端中心連起來，于是得到v－t圖像.請你按以上辦法(用一張薄紙壓在圖上，復(fù)制得到紙帶)繪制這個圖像.答案見解析演示：先把紙帶每隔0.1s剪斷，得到若干短紙條。v(cm/s)t(s)O把這些紙條并排貼在一張紙上，使這些紙條下端對齊，作為時間坐標(biāo)軸，標(biāo)出時間。最后將紙條上端中心連起來，于是得到圖像。(2)這樣做有道理嗎？說說你的看法.答案見解析有道理.因?yàn)榧粝碌募垪l長度表示0.1s時間內(nèi)位移大小Δx，由于v∝Δx，所以紙帶長度反映了小車運(yùn)動速度的大小.六、拓展方案實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)注重遷移創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，用教材中實(shí)驗(yàn)的原理、方法和技巧處理新問題，實(shí)驗(yàn)方案我們可以進(jìn)行以下創(chuàng)新：加速度的獲得：靠重物的拉力獲得加速度→長木板傾斜靠重力獲得