第1节 实验:探究小车速度随时间变换的规律
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第1节实验:探究小车速度随时间变化的规律教学参考 1. 教学目标(1) 巩固打点计时器的使用、纸带数据处理和测量瞬时速度的方法。
(2) 通过实验探究,体验如何从实验研究中获取数据,学会利用图象处理实验数据的 科学方法。
(3) 知道小车在重物牵引下运动速度随时间变化的规律。
2. 教材分析与教学建议本节内容为探究实验,目的是让学生通过研究小车在重物牵引下运动的速度随时间变化 的规律,经历科学探究的活动,学会实验数据的处理方法。
这节课的任务是测量小车的速度, 做出小车运动的v-f 图象,初步分析小车速度的变化规律。
要学生体验从实验研究中获取数 据、做出图象、分析图象、寻找规律的科学思维方法。
使学生认识图象在研究物理问题中的 作用;与数学公式相比,图象显得直观、形象、生动,让人一目了然,从而使学生感受到图 象的直观的美。
所以,该实验不要放到“匀变速直线运动的速度与时间的关系”之后,否则 就违背了探究式学习的宗旨。
这节课不要求得出小车运动的加速度,也不要求建立匀变速直线运动的概念。
(1)进行实验实验前,首先要求学生复习前一章实验中打点计时器 的使用方法和注意事项,以及测量瞬时速度的方法。
同时, 要求学生在实验中应注意以下几点:打点计时器纸带限位器要与长木板纵轴位置对齐再固定在长木板上,使纸带、小车、拉线和定滑轮在一条直线上。
小车要选择在木板上运动阻力小且不跑偏或跑偏较小 的车。
牵引小车的钩码以100g 以内为宜。
若用到150g 以上,则纸带上打出的点数不能满足以0.1s 为计数点取6组 数值的要求。
解决办法:用小沙桶替代钩码。
沙桶及沙的质量在40~100g 之间取三种不同质量,可用托盘天平 称量沙桶和沙子。
若用150g 钩码时,打出的纸带计数点之间的时间间隔可取至0.08s 或0.06,可以满足6 组以上数据的要求。
为了防止钩码落地损伤钩码,可在地面铺泡沫塑料垫。
小沙桶可以选择能装100g 以上 砂子的带盖塑料瓶。
实验:探究小车速度随时间变化的规律教学目标知识与技能1.根据相关实验器材,设计实验并熟练操作.会运用已学知识处理纸带,求各点瞬时速度.2.会用表格法处理数据,并合理猜想.巧用v-t图象处理数据,观察规律.3.掌握画图象的一般方法,并能用简洁语言进行阐述.过程与方法1.初步学习根据实验要求设计实验、完成某种规律的探究方法.对打出的纸带,会用近似的方法得出各点瞬时速度.¥2.初步学会根据实验数据进行猜测、探究、发现规律的探究方法.3.认识数学化繁为简的工具作用,直观地运用物理图象展现规律,验证规律.情感态度与价值观1.通过对小车运动的设计,培养积极主动思考问题的习惯,并锻炼思考的全面性、准确性与逻辑性.2.通过对纸带的处理、实验数据的图象展现,培养实事求是的科学态度,能灵活地运用科学方法来研究问题、解决问题,提高创新意识.教学重点1.由实验数据得出v-t图象.2.由v-t图象得出小车的速度随时间变化的规律.(教学难点1.实验探究过程注意事项.2.实验数据的处理.课前准备1、联系实验教师,安排实验时间2、实验仪器:打点计时器、低压交流电源、导线、纸带、带滑轮的长木板、小车、钩码、细线、复写纸片、刻度尺.3、预习了解1.实验目的!探究小车速度随时间变化规律.2.实验器材①附有滑轮的长木板②小车③带小钩的细线④25 g的钩码3个,也可以用50 g 的钩码或用沙子和小桶代替钩码,用弹簧秤或天平称量⑤打点计时器⑥纸带⑦刻度尺⑧学生电源、导线3.实验原理把纸带跟运动的物体连接在一起,并穿过打点计时器.这样纸带上的点不但记录了物体的运动时间,而且相应地表示运动物体在不同时刻的位置.研究这些点的情况,就可以了解物体的运动情况.4.实验内容(1)如图2-1-4所示,把附有滑轮的长木板平放在实验桌上,并使滑轮伸出桌面,把打点计时器固定在长木板上没有滑轮的一端,连接好电路."图2-(2)把一条细绳拴在小车上,使细绳跨过滑轮,下边挂上合适的钩码,放手后,看小车能否在木板上平衡地加速滑行,然后把纸带穿过打点计时器,并把纸带的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列小点,再按同样的方法(不改变钩码)打出两条纸带.从这三条纸带中选用一条点迹清晰的,计为纸带Ⅰ.(4)增加一个钩码,按上述方法打出纸带Ⅱ.(5)在打纸带Ⅰ的基础上减少一个钩码,仍按上述方法打出纸带Ⅲ.(6)整理器材.教学过程导入新课)复习导入回顾打点计时器的构造如图1图1复习旧知:1.打点计时器的构造及工作原理.2.瞬时速度的测量:时间比较短时,可用纸带上与待测点相邻的两点的平均速度来表示待测点的瞬时速度.3.用v-t图象进行实验数据分析.本节课我们将利用打点计时器来探究小车速度随时间变化的规律.~推进新课一、进行实验要探究一个物体的速度随时间变化的规律,必须知道物体在一系列不同时刻的速度.直接测量瞬时速度是比较困难的,本实验中我们用打点计时器先记录物体在不同时刻的位置,再通过对纸带的分析,计算得到各个时刻的瞬时速度.(师生共同探讨)问题探究问题1:如果探究得到小车在砝码拉动下在平直的长木板上运动,纸带上打出的点与点的间隔距离近似相等,那么小车做什么运动结论猜想:纸带上相邻点间的时间间隔相同,而点与点间的距离近似相等,则小车做匀速直线运动.问题2:在探究小车带动纸带运动时,纸带上的点与点间的距离不等,那么小车做什么运动结论猜想:纸带上点与点间的距离不相等,说明相同时间内位移不相等,小车做变速运动. #教师点评:通过探究这两个问题,培养学生利用所学物理知识大胆猜想的良好科学品质,通过回答问题提高学生语言概括表达能力.若要了解做变速运动小车的速度与时间的变化规律,就必须求出打每一个点时的速度.速度求出来了,由加速度定义式a=tv ∆∆便可求出相邻两点间运动时的加速度,便可看出运动过程中加速度是否变化,这些问题需要我们先进行完实验才能处理.二、实验注意事项注意事项:1.开始释放小车时,应使小车靠近打点计时器.2.实验时,应先接通电源,再放开小车.3.要防止钩码下落时与地板相碰,可在地板上事先放几本书.4.要防止小车与定滑轮相碰,可用中、食指叉开跨过细线放在滑轮前事先等着小车. ·5.牵引小车的钩码个数要适当,以便使在长度为50 cm 的纸带上清晰地取得5—6个计数点为宜.6.细线一定要与长木板平行.三、处理数据合理的数据处理如下:1.对每条纸带(即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)都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,且每隔4个点计一个计数点.2.对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ条纸带分别进行测量,并计算小车对应各计数点的瞬时速度并填入下表. 位置(计数点) 0¥12 3 4 5 6 7 时间(s )《: 速度(m/s )纸带Ⅰ。
第一节实验:探究小车速度随时间变化的规律第一节 实验:探究小车速度随时刻变化的规律【知能预备】 1.实验目的〔1〕练习使用打点计时器。
〔2〕利用打上点的纸带研究小车的运动情形,分析小车的速度是如何样随时刻变化的。
2.实验原理〔1〕电磁打点计时器:它是利用电磁感应原理打点计时的一种仪器。
当交流电源频率为50Hz 时,它每隔0.02s 打一次点,即打出的纸带上每相邻两点间的时刻间隔为0.02s 。
〔2〕v t -图象法:依照匀变速直线运动某段时刻中间时刻的瞬时速度等于这段时刻内的平均速度,即12n n n s s v T++=。
求出打第n 个计数点时纸带的瞬时速度,再作出v t -图象,分析v 与t 的关系。
3.实验器材打点计时器、纸带、 ① 、导线、 ② 、小车、钩码。
4.实验步骤〔1〕如图1所示,把附有滑轮的长木板平放在实验桌上,并使滑轮伸出桌面,把打点计时器固定在长木板上没有滑轮的一端,连接好电路。
〔2〕把一条细绳拴在小车内,使细绳跨过滑轮,下边挂上适量的钩码,把纸带穿过打点计时器,并把纸带的一端固定在小车的后面。
〔3〕把小车停在靠近打点计时器处, ③ 后,开释小车,让小车拖着纸带运动,打点计时器就在纸带上打下一列小点。
换上新的纸带,重复实验三次。
〔4〕从三条纸带中选择一条比较理想的,舍掉开头一些比较密集的点,在后边便于测量的地点找一个开始点,为了测量方便和减小误差,通常不用每打一次点的时刻作为时刻的单位,而用每打五次点的时刻作为时刻的单位,确实是T= ④ 。
在选好的开始点下面标A ,在第六个点下面标B ,在第十一个点的下面标C ,依此类推A 、B 、C 、D ……叫做计数点,如图两个相邻计数点的距离分不是1s 、2s 、3s …〔5〕测出六段位移1s 、2s 、3s 、4s 、5s 、6s 长度,把测量结果记入下表中。
图1〔6〕依照测量结果,利用〝实验原理〞中给出的公式运算瞬时速度的值填入下表。
第二章 匀变速直线运动的研究第1节 实验:探究小车速度随时间变化的规律 (预习学案)【预习目标】 编写:马清秀 审核:王振营通过认真阅读课本内容:进一步了解打点计时器的使用,会熟练求解平均速度和瞬时速度的方法,会用描点法作出 v-t 图象。
【课前预习】一. 自主学习(以主人的身份投入学习,夯实基础)1. 教材助读: (一).实验目的1.探究小车速度随 变化的规律。
2.能画出小车运动的t v -图像。
(二).实验原理利用打点计时器打出的纸带上记录的数据,以寻找小车速度随时间变化的规律。
注意:计算各个点的瞬时速度时,应在计数点附近取一个很短的时间t ∆,用t ∆内的平均速度txv ∆∆=当作打该计数点时小车的瞬时速度。
(三).实验器材 打点计时器、低压 电源、纸带、带滑轮的长木板、小车、 、细线、复写纸片、 。
(四).实验步骤:(五) 数据处理方法:二. 预习自测(给自己设定具体时间自我检测,了解自我)1.用打点计时器测小车的运动速度,下列说法中正确的是( )A.必须选择点迹清晰的纸带,而且应以打点计时器打的第一个点作为第一计数点B.要舍去开头比较密集的点,任选后面较清晰的某点作为第一个计数点C.可以每隔任意相同数量的点选取一个计数点D.在数据处理时,从器材上直接读取的原始数据一定要有表格记录2.在探究小车速度随时间变化的规律的实验中,按照实验进行的先后顺序,将下述步骤地代号填在横线上。
A.把穿过打点计时器的纸带固定在小车后面B.把打点计时器固定在木板的没有滑轮的一端,并连好电路C.换上新的纸带,再重做两次D.把长木板平放在实验桌上,并使滑轮伸出桌面E.使小车停在靠近打点计时器处,接通电源,放开小车,让小车运动F.把一条细线拴在小车上,细线跨过定滑轮,下边吊着合适的钩码G.断开电源,取出纸带3.在下列给出的器材中,选出“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中所需的器材并填在横线上(填序号)。
第1节实验:探究小车速度随时间变化的规律导学天地学习要求学法指导做变速直线运动的物体,当研究时间Δt很短时,在这段时间内速度变化量就很小,就可以认为物体在这段时间内做匀速直线运动,那么在这段时间内的某时刻的瞬时速度就等于这段时间内的平均速度.这是变与不变的关系在物理学中的又一体现.自主学习理解升华重点、难点、疑点解析1.对通过实验数据得v-t图象的理解我们通过严谨求实的实验打出纸带,用毫米刻度尺准确测量出相邻两计数点间的间距,计算出各计数点对应的瞬时速度填入设计好的表格中,根据表格中的v、t数据,在直角坐标系中描点,仔细观察这些点的分布情况,我们发现这些点都大致落在一条直线上.我们可以大胆猜测,如果没有实验误差,这些点应该落在一条直线上.这样我们做一条直线,且使尽可能多的点落在这条直线上,落不到直线上的各点应均匀分布在直线的两侧,这就画出了小车运动的速度—时间图象,是一条倾斜的直线.特别提醒:①我们在作图时,应让图象连接尽可能多的点,不能连接的点对称分布在图象两侧,从而使每个有意义的数据点都发挥了作用,取数群的平均位置减少了测量的偶然误差.②对于偏离图线较大的点,作图象时不要轻易舍去.若总是在某处出现偏离较大的点,这可能孕育重大发现.2.由v-t图象分析小车运动速度随时间变化的规律如何由实验得出的v-t图象,进一步得出小车运动的速度随时间变化的规律?我们可以从两条途径进行:一是通过直接分析图象(图2-1-1)的特点得到.小车运动的v-t图象是一条倾斜的直线,那么当时间增加相同的值Δt,速度也会增加相同的值Δv.也就得出结论:小车的速度随时间均匀变化;图2-1-1二是通过得出函数关系式进一步得到,既然小车的v-t图象是一条倾斜直线,那么,v 随t变化的函数式v=kt+b,显然v与t成“线性关系”.小车的速度随时间均匀增加.3.实验中的注意事项(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)取下纸带前,先断开电源.(4)要防止钩码落地和小车跟滑轮相撞,当小车到达滑轮前及时用手按住它.(5)牵引小车的钩码个数要适当,以免加速度过大而使纸带上的点太少,或者加速度太小,而使各段位移无多大差别,从而使测量误差增大,加速度的大小以能在50 cm长的纸带上清楚地取得六、七个计数点为宜.(6)要区别计时器打出的点与人为选取的计数点,一般在纸带上每五个点取一个计数点,即时间间隔为T=0.02×5 s=0.1 s.例题剖析应用点一:实验器材的选择例1:在下列给出的器材中,选出“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中所需的器材填在横线上(填编号).①打点计时器②天平③低压交流电源④低压直流电源⑤细绳和纸带⑥钩码和小车⑦秒表⑧一端有滑轮的长木板⑨刻度尺选出器材是____________.解析:打点计时器是一种计时仪器,所用电源是低压交流电源,因此④⑦不选.该实验不需要测量质量,因此②不选.答案:①③⑤⑥⑧⑨点评:要掌握实验器材的选取,首先要理解实验的原理,结合实验目的和实验过程进行记忆.拓展练习1-1:在下列所给器材中,本实验所需的器材有____________;为达到实验目的,还应增添____________.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应用点二:熟悉实验操作步骤例2:在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中,某同学操作中有以下实验步骤,其中有错误或遗漏的步骤有(遗漏步骤可编上序号G、H……)______________________.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平板上,并接好电路C.把一条细绳拴在小车上,细绳跨过定滑轮,下面吊着适当的钩码D.取下纸带E.将平板一端抬高,轻推小车,使小车能在平板上做匀速运动F.将纸带固定在小车后部,并穿过打点计时器的限位孔将以上步骤完善并按合理的顺序写在横线上____________.解析:在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中,要先接通电源,再放开纸带.在取下纸带前要先断开电源.为了减小误差,应重复3次即打3条纸带.答案:(1)A中应先接通电源,再放开纸带.(2)D中取下纸带前应先断开电源.(3)补充步骤G:换上新纸带,重复3次步骤顺序为:BFECADG点评:对于实验步骤,同学们应结合实际操作掌握.拓展练习2-1:关于“探究小车速度随时间变化的规律”的实验操作,下列说法错误的是()A.长木板不能侧向倾斜B.在释放小车前,小车应紧靠在打点计时器上C.应先接通电源,待打点计时器开始打点后再释放小车D.要在小车到达定滑轮前使小车停止运动应用点三:根据纸带判断物体速度随时间变化的规律例3:在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中,如图2-1-2所示,是一条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,每相邻的两个计数点之间还有4个点没有画出,交流电的频率为50 Hz.图2-1-2(1)在打点计时器打B、C、D点时,小车的速度分别为:v B=____________m/s;v C=____________m/s;v D=____________m/s.(2)在如图2-1-3所示的坐标系中画出小车的v-t图象.图2-1-3(3)将图线延长与纵轴相交,交点的速度是_________,此速度的物理含义是__________.解析:(1)若时间较短,平均速度可以代替某一点的瞬时速度,所以B 点的瞬时速度v B =2.00276.02=T x AC m/s=1.38 m/s C 点的瞬时速度v C =2.00528.02=T x BD m/s=2.64 m/s D 点的瞬时速度v D =2.0780.02=T x CE m/s=3.90 m/s (2)根据以上数据作出小车的v -t 图象,如图2-1-4所示.图2-1-4(3)将图线延长与纵轴相交,交点的速度约为v =0.2 m/s.此速度的物理含义是:表示0时刻小车经过A 点时的速度.答案:见解析点评:描点法是作图的一种最基本的方法,最重要的有三点:①准确性(标度要合适).②要用平滑曲线连接,且让尽可能多的点分布在线上,不在线上的点要大致均匀地分布在两侧,离线较远的点可删去.③要使图象分布在坐标纸中央.拓展练习3-1: 图2-1-5是某一做直线运动的小车(后连纸带)通过打点计时器时打出的一段纸带.图中的0、1、2、3、4、5、6为按时间顺序选取的7个计数点,每相邻两个点中间都有4个点未画出.用刻度尺量出1、2、3、4、5、6点到0点的距离分别是8.78 cm ,16.08 cm ,21.87 cm ,26.16 cm ,28.84 cm ,30.07 cm.请做出其v -t 图象,并分析小车的运动特点.图2-1-5自我反馈自主学习1.滑轮 另一端 限位孔 钩码 靠近打点计时器 启动计时器 关闭电源2.最清晰 计时起点 0.1 s3.v -t例题评析拓展练习1-1:①④⑤⑥⑦⑨ 低压交流电源和刻度尺拓展练习2-1:B拓展练习3-1:略演练广场夯实基础1.根据打点计时器打出的纸带,我们可以从纸带上直接得到的物理量是()A.时间间隔B.位移C.加速度D.平均速度2.使用打点计时器,在连接电源,打点计时器工作时通过纸带后,纸带上没有点子,原因可能是()A.电源用交流4~6 VB.单面复写纸反置C.振针松动D.纸带拉得太快3.在“测量匀变速直线运动的加速度”实验中,对于减小实验误差来说,下列方法中有益的是()A.选取记数点,把每打五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4.下列关于计数点的说法中,正确的是()A.用计数点进行测量计算,既方便又可减小误差B.相邻计数点之间的时间间隔应该是相等的C.相邻计数点之间的位置间隔应该是相等的D.计数点是从计时器打出的实际点中选出来的,相邻计数点之间的点痕个数是相等的5.在实验中,下列关于计数点间时间间隔的说法中,正确的是()A.隔四个点取一个计数点,则计数点间的时间间隔为0.10 sB.隔四个点取一个计数点,则计数点间的时间间隔为0.08 sC.隔五个点取一个计数点,则计数点间的时间间隔为0.08 sD.隔五个点取一个计数点,则计数点间的时间间隔为0.10 s6.在实验“探究小车速度随时间变化的规律”中,换上纸带,重复操作三次,选择了一条打点最清晰的纸带,在选择计数点时,我们采用的正确方法是()A.舍掉开头过于密集的点,找一个适当的点当作计时起点B.选取纸带上第一个点作计时起点,为了实验精确不能漏掉一个点C.每两个相邻计数点的时间间隔只能取0.1 sD.每两个相邻计数点的时间间隔可视打点密度而定,可以选0.02 s、0.04 s、…、n×0.02 s均可7.运动的小车拖动纸带经过打点计时器后,在纸带上留下了6个连续清晰的点,测得从第一个点到第六个点之间的距离为18 cm,则()A.小车运动的平均速度为0.03 m/sB.小车运动的平均速度为1.5 m/sC.小车运动的平均速度为1.8 m/sD.小车运动的平均速度为180 m/s8.在科学上,为了描述实验中测量点之间的关系,先在坐标系中描点,然后用一条曲线(包括直线)“拟合”这些点,在画曲线时应该注意到的是()A.画曲线时要让尽量多的点在该曲线上B.画曲线时不在该曲线上的点要尽量靠近该曲线,要使它两侧的点数大致相同C.要照顾所有的点,让它们都在曲线上D.离曲线太远的点可以舍去9.在某次“探究小车速度随时间变化的规律”实验中,某同学得到了一条如图2-1-6所示的倾斜的直线,这条直线可以描述小车运动速度随时间变化的规律.下面叙述中正确的是()图2-1-6A.小车运动的速度是在增加的,而且是均匀增加的B.小车在上坡,速度越来越小C.小车运动的初速度不为零D.小车的速度是在均匀减少的能力提升10.用打点计时器研究物体在空中竖直下落的运动,得到如图2-1-7所示的一段纸带,测得AB =7.65 cm ,BC =9.17 cm.已知交流电频率是50 Hz ,则打B 点时物体的瞬时速度为_______ m/s.图2-1-711.在“探究小车速度随时间变化的规律”实验中,某同学改变钩码个数,得到两条点迹清晰的纸带,描点画出的v -t 图象如图2-1-8所示.试根据图象描述小车运动速度随时间变化的规律.图2-1-812.在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中,如图2-1-9给出了从0点开始,每5个点取一个计数点的纸带,其中0,1,2,3,4,5,6都为计数点.测得:x 1=1.40 cm ,x 2=1.90 cm ,x 3=2.38 cm ,x 4=2.88 cm ,x 5=3.39 cm ;x 6=3.87 cm ,那么:图2-1-9(1)在计时器打出点1,2,3,4,5时,小车的速度分别为:v 1=____________ cm/s ,v 2=____________ cm/s ,v 3=____________ cm/s ,v 4=____________ cm/s ,v 5=____________ cm/s.(2)在平面直角坐标系中作出速度—时间图象.(3)分析小车运动速度随时间变化的规律.13.在用打点计时器测定做匀变速直线运动物体的加速度时,一定要每5个点取一个记数点吗?14.在利用打点计时器探究小车速度随时间变化规律时通常是测量两计数点间隔的距离,用v =tx ∆∆,计算各计数点的速度,然后再用描述法求其运动规律. 下面是某同学的另一种做法,你认为有道理吗?并谈一下你的观点.某同学在打出的纸带上每5点取一个计数点,共取了7个计数点,用以下方法绘制小车的v -t 图象.先把纸带每隔0.1 s 的剪断,得到6个短纸条.再把这些纸条并排贴在一张纸上,使这些纸条下端对齐,作为时间坐标轴,标出时间.后将纸条上端中心连接起来,于是得到 v -t 图象,如图2-1-10所示.图2-1-10拓展阅读模拟打点计时器如图2-1-11所示,两位同学进行跑步比赛时,为了了解自己的加速情况,他们分别拿着底部穿孔、滴水比较均匀的饮料瓶一起跑,然后通过地上的水印分析他们的速度变化情况.请你和同学们一起试一试,并说一说其中的道理.图2-1-11演练广场1.AB2.BC3.ACD4.ABD5.A6.AD7.C8.ABD9.AC10.解析:利用较短时间内的平均速度等于某一点的瞬时速度可求出B 点的瞬时速度 v =04.0210)17.965.7(22⨯⨯+=+-T x x BC AB m/s=2.10 m/s. 答案:2.1011.解析:由图象可知,A 的速度随时间均匀增加,初速度为零;B 的速度随时间也均匀增加,但初速度为v 0,显然B 是在小车运动后才开始打点计时的.答案:见解析12.解析:(1)两相邻的计数点之间的时间间隔为T =0.02×5 s=0.1 s ,各点的速度分别为:v 1=1.0290.140.1221⨯+=+Tx x cm/s=16.50 cm/s v 2=1.0238.290.1232⨯+=+Tx x cm/s=21.40 cm/s v 3=1.0288.238.2243⨯+=+Tx x cm/s=26.30 cm/s v 4=1.0239.388.2254⨯+=+Tx x cm/s=31.35 cm/s v 5=1.0287.339.3265⨯+=+T x x cm/s=36.30 cm/s. (2)利用描点法作出v -t 图象,如图所示.(3)小车运动的v-t图象是一条倾斜向上的直线,说明速度随时间均匀增加,它们成“线性关系”.答案:见解析13.解析:不一定.在测量时取记数点的根本目的是减少长度测量的相对误差,究竟如何取记数点,要根据打出的纸带上的点子之间的间隔以及清晰点子的总数来确定,在教材所规定的实验中,对小车的加速度没有加以限定,可以任意选择,我们可以适当选择加速度值,进而调整点子的间距和清晰点的个数,使我们在每5个点取一个计数点的情况下得到7~8个记数点,这样使计数点间的时间间隔为0.1 s,便于计算,有7~8个记数点也便于利用逐差法计算加速度的值,但在给定的运动中(例如自由落体),加速度值是确定的不能选择,打出的点子间的距离也是确定的,如何选记数点只能根据实际情况而定.答案:见解析.14.解析:这种做法是有道理的.因为每段纸带长度都对应物体在相等(0.1 s)时间内的位移,所以纸带长度正比于运动速度,从纸带长度均匀增加也可判断物体的运动速度均匀增加.答案:见解析。
第1节 实验:探究小车速度随时间变化的规律一、实验目的1.进一步练习使用打点计时器,通过打出的纸带测量瞬时速度。
2.通过实验获取数据,利用图像处理实验数据。
3.通过数据分析得出小车速度随时间变化的规律。
二、实验设计1.实验方案:如图所示,把一端带有滑轮的长铝板平放在实验桌上,铝板上放一小车,小车一端连接穿过打点计时器的纸带,另一端连接绕过滑轮系有槽码的细绳。
小车在槽码的牵引下运动,通过研究纸带上的信息,探究小车的速度随时间的变化规律。
2.实验原理 (1)计算瞬时速度使用毫米刻度尺测量每个计数点与第一个计数点间的距离,得出每相邻两个计数点间的距离Δx 1、Δx 2、Δx 3……,如图所示。
由于各计数点的时间间隔比较短,可以用平均速度来代替瞬时速度。
即v 1=Δx 2+Δx 12T ,v 2=Δx 2+Δx 32T ,……。
(2)根据v -t 图像判断速度的变化规律用描点法可作出小车的v -t 图像,根据图像的形状可判断小车的运动性质。
利用v -t 图线的斜率可求出小车的加速度。
3.实验器材电磁打点计时器(或电火花计时器)、复写纸、导线、一端附有定滑轮的长铝板、小车、纸带、细绳、槽码、刻度尺、交流电源、坐标纸。
三、实验步骤1.如图所示,把附有滑轮的长铝板放在实验桌上,并使滑轮伸出桌面,把打点计时器固定在长铝板上没有滑轮的一端,连接好电路。
2.把一条细绳拴在小车上,使细绳跨过滑轮,下边挂上槽码,把纸带穿过打点计时器,并把纸带的一端固定在小车的后面。
3.把小车停在靠近打点计时器处,启动计时器,然后释放小车,一定先接通电源,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,随后关闭电源。
4.增减所挂槽码的个数(或在小车上放置重物),换上新的纸带,按以上步骤再做两次实验。
四、数据处理1.瞬时速度的计算(1)从几条纸带中选择一条点迹最清晰的纸带,舍掉开始纸带的选取一些比较密集的点,在后面便于测量的地方找一个点,作为计数始点,以后依次每五个点取一个计数点,并标明0、1、2、3、4、…如图所示。
(2)依次测出01、02、03、04、…的距离x 1、x 2、x 3、x 4、…,填入表中。
位置 1 2 3 4 5 6 长度x 1 x 2 x 3 x 4 x 5 x 6 各段长度0~2 1~3 2~4 3~5 4~6 —时间间隔 — v /(m·s -1)—(3)1、2、3、4、…各点的瞬时速度分别为:v 1=x 22T 、v 2=x 3-x 12T 、v 3=x 4-x 22T 、v 4=x 5-x 32T ……。
将计算得出的各点的速度填入表中。
(4)根据表格中的数据,分析速度随时间变化的规律。
2.作出小车运动的v -t 图像(1)定标度:坐标轴的标度选取要合理,应使图像大致分布在坐标平面中央。
(2)描点:描点时要用平行于两坐标轴的虚线标明该点的位置坐标。
(所描的点一般用“·”标明)在描点时最好用坐标纸,使图线占据坐标平面的大部分面积。
(3)连线: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,偏差比较大的点舍去,如图所示。
(4)观察所得到的直线,分析物体的速度随时间的变化规律。
3.求解加速度根据所画v -t 图像的斜率,求出小车运动的加速度a =Δv Δt 。
计算小车的加速度时,应选取相距较远的两点,可以减小误差。
五、误差分析1.根据纸带测量的位移有误差。
2.作v-t图像不准确有误差。
3.铝板的不同部位粗糙程度不完全相同。
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,应立即断开电源。
4.牵引小车的槽码个数要适当,以免加速度过大而使纸带上的点太少,或者加速度太小,而使各段位移差别不大,误差增大。
5.要区分打点计时器打出的计时点和人为选取的计数点,一般在纸带上每隔四个计时点取一个计数点,若电源频率为50 Hz,则时间间隔T=0.1 s。
6.在坐标纸上画v-t图像时,注意坐标轴单位长度的选取,应使图像尽量分布在较大的坐标平面内。
要点1实验原理和实验操作[例1] 在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中,(1)实验室提供了以下器材:电火花计时器、一端附有滑轮的长铝板、小车、纸带、细绳、槽码、刻度尺、交流电源、停表、弹簧测力计。
其中在本实验中不需要的器材是。
(2)按照实验进行的先后顺序,将下述步骤的代号填在横线上。
A.把穿过打点计时器的纸带固定在小车后面B.把打点计时器固定在铝板没有滑轮的一端,并连好电路C.换上新的纸带,再重做两次实验D.把长铝板平放在实验桌上,并使滑轮伸出桌面E.使小车停在靠近打点计时器处,接通电源,放开小车,让小车运动F.把一条细绳拴在小车上,细绳跨过定滑轮,下边吊着合适的槽码G.断开电源,取出纸带解析(1)本实验需要测量的物理量是位移和时间,用打点计时器打出的纸带上的点就可以算出时间,用刻度尺可以测出两点间的距离,因此,不需要弹簧测力计和停表。
(2)根据实验的步骤,正确的顺序应为DBFAEGC。
答案(1)弹簧测力计、停表(2)DBFAEGC[针对训练1] 如图甲所示的(图中长铝板水平固定)是高中物理常用的力学实验装置,现用该装置完成“探究小车速度随时间变化的规律”。
甲(1)图乙中的实验照片是否有实验错误、不合理或不必要之处?若存在问题,请指明问题所在。
乙(2)下列哪些措施能有助于减小实验的误差。
A.选用输出电压稳定性更佳的恒定电源B.选用输出电压变化周期更稳定的交流电源C.调节滑轮高度,使拉线与长铝板平行D.实验中满足槽码质量m远小于小车的质量ME.实验前先平衡小车与铝板间的摩擦力解析(1)照片A:实验有错误之处,选用蓄电池作为电源。
照片B:实验有不合理之处,小车起始点离打点计时器过远。
(2)选用输出电压稳定性更佳的恒定电源,打点计时器不能计时,A错误;选用输出电压变化周期更稳定的交流电源可使打点周期稳定,减小误差,B正确;调节滑轮高度,使拉线与长铝板平行,可减小误差,C正确;测定小车的速度不需要满足槽码的质量m远小于小车的质量M,也不需要实验前先平衡小车与铝板间的摩擦力,D、E错误。
答案(1)见解析(2)BC要点2 实验数据处理[例2] 在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中,如图所示为记录小车运动情况的一条纸带,图中A 、B 、C 、D 、E 为相邻的计数点,相邻计数点间的时间间隔T =0.1 s 。
(1)计算D 、C 、B 各点的瞬时速度,v D = m/s ,v C = m/s ,v B = m/s 。
(2)在如图所示坐标系中作出小车的v -t 图像,并根据图像求出a = 。
解析 (1)若时间较短,平均速度可以代替某点的瞬时速度。
D 点的瞬时速度 v D =x CE 2T =105.60-27.602×0.1 cm/s =390 cm/s =3.90 m/sC 点的瞬时速度v C =x BD 2T =60.30-7.502×0.1 cm/s =264 cm/s =2.64 m/sB 点的瞬时速度v B =x AC 2T =27.62×0.1cm/s =138 cm/s =1.38 m/s(2)由(1)中数据作出小车的v -t 图像如图所示,由图线的斜率可求得它的平均加速度 a =Δv Δt =2.520.2 m/s 2=12.6 m/s 2答案 (1)3.90 2.64 1.38 (2)图见解析 12.6 m/s 2 方法凝炼 由纸带求加速度的方法如图所示的纸带各计数点1、2、3、4、5、…所对应的速度分别是v 1、v 2、v 3、v 4、v 5、…,T 为计数点间的时间间隔。
(1)图像法由多组数据描绘出v -t 图像,v -t 图像中直线的斜率即为物体运动的加速度。
此法有利于减小偶然误差,并能剔除误差较大的数据。
(2)平均值法a 1=v 2-v 1T ,a 2=v 3-v 2T ,a 3=v 4-v 3T ,…,a n =v n +1-v n T 。
求加速度的平均值 a -=a 1+a 2+…+a n n=(v 2-v 1)+(v 3-v 2)+…+(v n +1-v n )nT=v n +1-v 1nT 。
从结果看,真正参与运算的只有v 1和v n +1,中间各点的瞬时速度在运算中都未起作用,一般不用此方法。
[针对训练2] 某同学利用图(a )所示的实验装置探究物块速度随时间的变化。
物块放在桌面上,细绳的一端与物块相连,另一端跨过滑轮挂上钩码。
打点计时器固定在桌面左端,所用交流电源频率为50 Hz 。
纸带穿过打点计时器连接在物块上。
启动打点计时器,释放物块,物块在钩码的作用下拖着纸带运动。
打点计时器打出的纸带如图(b )所示(图中相邻两点间有4个点未画出)。
根据实验数据分析,回答下列问题:(1)在打点计时器打出B 点时,物块的速度大小为 m/s 。
在打出D 点时,物块的速度大小为 m/s ;(保留2位有效数字) (2)物块的加速度大小为 m/s 2。
(保留2位有效数字)解析 (1)根据纸带上某点的瞬时速度等于一小段时间内的平均速度,所以 v B =x AC 2T =0.046 1+0.065 90.2 m/s =0.56 m/s ,v D =x CE 2T =0.086 1+0.106 10.2m/s =0.96 m/s 。
(2)根据a =v D -v B2T ,代入数据整理可得a =2.0 m/s 2。
答案 (1)0.56 0.96 (2)2.01.(多选)下列关于打点计时器的说法中正确的是( )A.电磁打点计时器是利用振针上下振动,通过复写纸在纸带上留下一行小点B.电火花计时器是利用火花放电的原理来工作的C.我国中学实验室中的打点计时器直接接到实验台上的插座上使用,这种打点计时器是电磁打点计时器D.从减小纸带运动中所受阻力的角度考虑,选电火花计时器较电磁打点计时器好 解析 根据电磁打点计时器和电火花计时器的构造知,选项A 、B 正确;电火花计时器由于利用的是火花放电的原理来工作的,使用时摩擦较电磁打点计时器的小,选项D 正确;我国使用的是220 V 交流电,所以直接接到实验台上的插座上使用的打点计时器应该是电火花计时器,选项C错误。
答案ABD2.下列实验过程中正确使用打点计时器的步骤顺序是()①启动电源,用手水平拉动纸带,纸带上就打出一行小点②关掉电源③取下纸带,从能够看清的某个点开始,往后数若干个点,如果数出n个点,这些点划分出的间隔数是(n-1),由此计算出纸带从第1个点到第n 个点的运动时间④把纸带装好⑤了解打点计时器的结构,然后把它固定的桌子上⑥用刻度尺测量出从第1个点到第n个点的距离A.⑤④①②③⑥B.⑤④①③⑥②C.⑤④①⑥③②D.⑤④①②⑥③解析进行实验前应充分了解打点计时器的结构和工作原理,并安装好打点计时器,在接通电源前,要将纸带装好,实验开始时应先接通电源,等打点计时器工作稳定后再拉动纸带,打点结束后,应立即关闭电源以保护打点计时器,将纸带与打点计时器分离后,进行纸带的处理,故选项A正确。