高中物理人教版 (2019)必修 第一册第二章 匀变速直线运动的研究1 实验：探究小车速度随时间变化的规律集体备课ppt课件

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打点计时器可以测量什么物理量？ 位移、时间通过打点计时器打出的纸带可以间接求什么物理量？
可以求两点间的平均速度
一、实验目的1.练习使用___________,通过打出的纸带计算瞬时速度。 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、实验器材打点计时器(带导线)、 流电源、_______、纸带、一端附有定滑轮的长木板、小车、细绳、槽码、复写纸、坐标纸等。
三、实验原理与设计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_________表示这点的瞬时速度。2.用v-t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v-t图像,图线的倾斜程度表示加速度的大小,如果v-t图像是一条倾斜的直线,说明小车的速度是均匀变化的。
【实验步骤】 1.安装实验器材:把附有滑轮的长木板 放在实验台上,并使滑轮伸出桌面,把打点计时器固定在长铝板 滑轮的一端,连接好电路,如图所示。
思考：长木板必须水平放在实验桌上吗？
可以平放也可以倾斜放置
2.实验准备:把纸带的一端固定在小车上，另一端穿过过电火花计时器的限位孔。把一条细绳的一端拴在小车上,使细绳跨过滑轮,下面挂上合适的槽码。3.打纸带:使小车停在 处,先 ,后 ,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(不改变槽码个数)打出两条纸带。从这三条纸带中选用一条最清晰的,记录为纸带Ⅰ。4.增减槽码再打纸带:增加一个槽码,按上述方法打出纸带Ⅱ。在打纸带Ⅰ时的基础上减少一个槽码,仍按上述方法打出纸带Ⅲ。
【数据收集与分析】 1.表格法:(1)选纸带、标计数点:从几条纸带中选择一条比较理想的纸带,舍掉开始一些比较密集的点,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。
每五个点取一个计数点,则相邻两计数点的时间T= s.
每隔四个点取一个计数点,则相邻两计数点的时间T= s.
相邻两计数点之间有四个点未画出,则相邻两计数点的时间T= s.
选取计数点,可增加测量距离,减小测量过程所产生的误差
(2)测距离、填表格:用 测出每个计数点与起始点间的距离依次测出01、02、03、04…的距离x1、x2、x3、x4…,填入表中。
如何测量位移可减少误差？
测量各相邻计数点间的距离,应该用最小刻度为毫米的刻度尺的零刻度对准起点,读出各计数点对应的刻度值,然后逐一相减,得到各相邻计数点间距离的数值。
(3)求瞬时速度:1、2、3、4…各点的瞬时速度分别为:v1= 、v2= 、v3= 、v4= …。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。
你能否从表格中的数据看出小车速度随时间变化的定量关系？
实验测得一组数据如下，请画出对应的v-t图像。
2、用刻度尺画细直线并延长到和坐标轴有交点。
1.建立v-t图像，选择合适的标度，标出纵横坐标所表示的物理量及单位进行描点。
应使图像大致布满坐标纸。画出的图线在两坐标轴的角平分线附近。
3、让尽可能多的点在直线上，不在直线上的点应大致分布在直线两侧，
实验必然存在偏大或偏小的误差。画图时让这些不在直线上的点尽可能等量地分布在直线两侧，这是为了使偏大或偏小的误差尽可能地抵消，所以图象也是减小误差的一种手段
若某些点明显偏离直线，可能是操作失误造成的，作图时可以不考虑这个点。但这个点仍应保留在纸上。不要擦去。因为我们应该尊重实验事实。
离直线较远的点应大胆舍去。
描出的点并非全分布在一条直线上，我们为什么用一条直线拟合这些点？实验中产生误差是不可避免的，所以得到的点不可能严格地处在一条直线上，会有偏差。我们可以这样认为，如果没有误差，这些点都分布在一条直线的概率非常大。所以我们选择用直线拟合这些点。
2.图像法:(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,如图所示。(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)据所画v -t图像求出小车运动的加速度a= 。3.实验结论:小车速度随时间均匀变化。
【思考·讨论】在坐标纸上画v-t图像时,坐标轴单位长度应如何选取?
如何利用v I t图求加速度
①取任意两组数据求出Δv 和Δt ，然后代 入 求解。②在v —t 图象上取一段时间Δt（尽量取 大一些），找出Δt 对应的Δv ，代入 求解。（画图时让不在直线上的点尽可能等量地分布在直线两侧，就是为了使偏大或偏小的误差尽可能地抵消，所以图象也是减小误差的一种手段，也就是说应该用图象上的点，而不是用实验所得到的数据）
与纵轴的交点是什么意思？
1、用电火花计时器测定物体的速度，当使用的交流电源频率低于50Hz时，如果仍按50Hz来计算，则测得的速度与真实值相比将 （偏大/偏小/不变）
①小车所挂槽码个数不同，即小车受到的拉力不同
②小车质量改变，从而导致小车的加速度不同
3、如图所示为实验“探究小车速度随时间变化的规律”释放小车时的情景。（1）请写出该实验操作存在的问题： （2）要完成该实验，还需要的器材有 。
②小车未靠近打点计时器
误差分为偶然误差与系统误差。偶然误差是由偶然因素造成的。特点是多次重复测量时，偏大或偏小的机会比较接近。用取平均值的方法来减小偶然误差。系统误差是由仪器本身缺陷、实验方法不完善造成的。特点是多次重复测量的结果总是大于或小于被测量的真实值，呈现单一倾向。需通过改进仪器、完善实验方法来减小系统误差。
【误差分析】 1.系统误差:铝板的粗糙程度不同会产生系统误差,实验中应尽量选用粗糙程度均匀的铝板。2.偶然误差:(1)根据纸带测量位移时会产生偶然误差,实验中应一次性测量各计数点到起始点的距离。(2)作v -t图像时单位选择不合适或作图不准确会带来偶然误差,实验中应选取合适的坐标单位。
1.电火花计时器的纸带限位孔要与长木板中心轴位置对齐，使纸带、小车、细绳和定滑轮在一条直线上。调节滑轮高度,使细绳应与木板平行2.开始释放小车时，应使小车靠近打点计时器3.先接通电源，待打点计时器打点稳定后，再释放小车，当小车停止运动时及时断开电源4.实验时要注意保护小车及滑轮，要避免它们被碰坏或跌坏。所以，当小车到达滑轮前及时用手按住它，防止小车从板上掉下来5.小车另一端所挂的槽码个数要适当，避免加速度过大而使纸带上打的点太少，或加速度太小使各段位移无法区别，从而使误差增大6.建立坐标系时，要注意合适的标度。作图线时，用平滑曲线拟合，要“顺势”“平滑”，对于难以落在曲线上的点应使它们大致均匀地分布在曲线两侧。.
两先两后：实验中应先接通电源，后让小车运动，实验完毕应先断开电源后取下纸带。
做一做：用计算机绘制v-t图像
〖2023.1〗 16Ⅰ（1）
（1） 在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，实验装置如图1所示。
① 需要的实验操作有______（多选）；
A. 调节滑轮使细线与轨道平行B. 倾斜轨道以补偿阻力C. 小车靠近打点计时器静止释放D. 先接通电源再释放小车
〖2024.6〗16—Ⅰ（2）实验获得一条纸带，截取点迹清晰的一段并测得数据如图所示已知打点的频率为 50 Hz，则打点“13”时，重锤下落的速度大小为 m/s（保留三位有效数字）。
&1& 图2
实验原理和实验操作【典例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
实验数据处理【典例2】某同学用打点计时器测量做加速直线运动的物体的加速度,电源频率f=50 Hz,在纸带上打出的点中,选出零点,每隔4个点取1个计数点。因保存不当,纸带被污染,如图所示,A、B、C、D是依次排列的4个计数点,仅能读出其中3个计数点到零点的距离:sA=16.6 mm,sB=126.5 mm,sD=624.5 mm。
若无法再做实验,可由以上信息推知:(1)相邻两计数点间的时间间隔为______s。 (2)打C点时物体的速度大小为_____m/s(结果保留两位有效数字)。 
vC= ≈2.5 m/s。
【典例3】某同学在“探究小车运动速度随时间变化的规律”的实验中，用打点计时器记录被小车拖动的纸带的运动情况，在纸带上确定出A、B、C、D、E、F、G共7个计数点，其相邻点间的距离如图甲所示，每两个相邻的计数点之间的时间间隔为0.1 s.
　(1)若从纸带上打A点的时刻开始计时，将B、C、D、E、F各个时刻的瞬时速度标在如图乙所示的坐标纸上，并画出小车的瞬时速度随时间变化的关系图线．
(2)计算加速度的大小是多少？
根据计算得出的速度及其对应的时刻，得到如图丙所示的5个圆点，用描点法作出的小车瞬时速度随时间变化的关系图线如图 丙所示．
1.为研究实验小车沿斜面向下运动的规律，把打点计时器纸带的一端固定在小车上，小车拖动纸带运动时，纸带上打出的点如图所示。
（1）某同学用以下方法绘制小车的图像。先把纸带每隔0.1s剪断，得到若干短纸条。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。最后将纸条上端中心连起来，于是得到题型。请你按以上办法(用一张薄纸压在图上，复制得到纸带)绘制这个图像。（2）这样做有道理吗?说说你的看法。
演示：先把纸带每隔0.1s剪断，得到若干短纸条。
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。最后将纸条上端中心连起来，于是得到图像。
可以；因为剪下的纸条长度表示0.1 s时间内位移大小Δx ，这些纸带构成上述所示的直方图。小车运动速度近似认为 v = Δx / 0.1s ，由于v ∝ Δx，所以纸带长度反映了小车运动速度的大小。
1.在“探究小车速度随时间变化的规律”实验中,下列说法正确的是(　　)A.小车在钩码的牵引下运动时只需打一条纸带,然后进行数据处理B.为使测量更为严谨,应把打下的第一个点作为第一个测量点C.为了便于测量,应舍掉开头一些过于密集的点,找一个适当的点当作计时起点D.两相邻计数点间的时间间隔必须是0.1 s【解析】小车在槽码的牵引下运动时,需要多次测量,打出多条纸带,进行数据处理,有利于减小误差,故A错误;纸带上开始时打的点比较密集,点距过小,测量误差较大,故应舍去,找一个适当的点当作计时起点,故B错误,C正确;选取计数点,可增加测量距离,减小测量过程所产生的误差,两相邻计数点间的时间间隔不一定取0.1 s,故D错误。
2.在用打点计时器“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中,下述测量各相邻两计数点间距离的方法正确的是(　　)A.当某两个计数点间的距离较大时,可以用短尺进行分段测量B.当某两个计数点间的距离较小时,可以用短尺一次把它测完C.测量各相邻计数点间的距离,应该用最小刻度为毫米的刻度尺的零刻度对准起点,读出各计数点对应的刻度值,然后逐一相减,得到各相邻计数点间距离的数值D.逐次测出各相邻计数点间的距离,这样便于记录【解析】选C。无论两个计数点间的距离是大还是小,采用C项中的方法都可减少误差,C正确。
3.在实验中,利用纸带上的数据得出各计数点的瞬时速度后,以速度v为纵轴,以时间t为横轴建立直角坐标系,某次实验中某同学描出的点如图所示。在直角坐标系上一共描出了10个点。下列思考有道理的是(　)①这10个点无论如何也不在一条直线上,因此小车运动的v-t图线不可能为一条直线,而应为一条光滑的曲线②这10个点中有8个点虽然不在一条直线上,但它们在一条直线附近,只有F和B两点离这条直线太远
③在10个点当中只有4个点能画在一条直线上(A、D、G、I),有6个点不在该直线上,这条直线肯定不能表示小车运动的规律④与直线偏差较小的点(C、E、H、J)可能是实验误差造成的,而与直线偏离较大的点(B、F)则可能是实验中出现错误造成的A.①③　　　　　　B.②④ C.①②D.③④【解析】因为有误差,这些点才不可能在一条直线上,若理想化,这些点将都在一条直线上,①③错误,②④正确,故B正确。
3.在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中,某同学得到一条用电火花计时器打下的纸带如图甲所示,并在其上取了A、B、C、D、E、F、G共7个计数点,每相邻两个计数点间还有4个点图中没有画出,电火花计时器接220 V、50 Hz交流电源。他经过测量并计算得到电火花计时器在打B、C、D、E、F各点时小车的瞬时速度如表:
(1)设电火花计时器的计时周期为T,计算vF的公式vF=________。 (2)根据得到的数据,以A点对应的时刻为t=0,试在图乙所示坐标系中合理地选择标度,作出v-t图像。(3)利用该图像求小车的加速度a=______ m/s2(结果保留2位有效数字)。 (4)如果当时交变电流的频率不变,电压变成210 V,而做实验的同学并不知道,那么加速度的测量值与实际值相比______(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。 
4.做“探究小车速度随时间变化的规律”的实验。
(1)用一条纸带穿过计时器,该同学发现有图甲中的两种穿法,感到有点犹豫。你认为____ (选填“A”或“B”)的穿法效果更好。 (2)完成实验后,小明用刻度尺测量纸带距离时如图乙,B点的读数是________cm,已知打点计时器每0.02 s打一个点,则B点对应的速度vB=________m/s(vB结果保留三位有效数字)。 
vB= m/s=1.35 m/s
(3)某实验小组中的四位同学利用同一条纸带的数据作v-t图像,分别作出了如图所示的四幅v-t图像,其中最规范的是______。 
描绘图像时取坐标单位的时候不能随意,要使得大部分点落在整个坐标区域中,描完点后,先大致地判断这些点是不是在一条直线上,然后画一条直线,让这些点均匀地散落在这条直线的两侧,故A正确,B、C、D错误。