2025人教版高中物理必修一知识点-第二章 1.实验：探究小车速度随时间变化的规律

1.实验:探究小车速度随时间变化的规律
必备知识·实验认知
一、实验目的
1.进一步练习使用打点计时器。

2.利用v-t图像处理数据,并据此判断物体的运动性质。

3.能根据实验数据求加速度。

二、实验器材
打点计时器、一端附有定滑轮的长木板、小车、纸带、细绳、槽码、刻度尺、导线、交流电源。

三、实验原理与设计
1.利用打点计时器所打纸带的信息,代入计算式v n=+r12,即用以n点为中心的一小段时间间隔的平均速度代替n点的瞬时速度。

2.用描点法作出小车的v-t图像,根据图像的形状判断小车的运动性质,若所得图像为一条倾斜直线则表明小车做匀变速直线运动。

3.利用v-t图像求出小车的加速度。

关键能力·实验探究
一、实验步骤
1.如图所示,把一端附有滑轮的长木板放在实验桌上,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,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。

4.换上新的纸带,重复实验两次。

5.增减所挂槽码,按以上步骤再做两次实验。

6.实验完毕,整理器材。

[交流讨论]
释放小车时,小车与打点计时器的相对位置是靠近一些,还是远离一些?
提示:靠近一些。

二、数据处理
1.表格法:
(1)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。

(2)依次测出01、02、03、04…的距离x1、x2、x3、x4…填入表中。

位置123456
x1x2x3x4x5x6
长度
0~21~32~43~54~65~7
各段长度
时间间隔
v/(m·s-1)
(3)1、2、3、4…各点的瞬时速度分别为:v1=22、v2=3−12、v3=4−22、v4=5−32…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.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,分析小车的速度随时间的变化规律。

(4)根据所画v-t图像求出小车运动的加速度a=ΔΔ。

三、误差分析
1.木板的粗糙程度不同,摩擦不均匀。

2.两点间距的测量有误差,造成计算出的瞬时速度有误差。

3.作v-t图像时单位选择不合适或人为作图不准确带来误差。

[交流讨论]
实验中,数据处理时需要注意哪些问题?
提示:(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,适当舍弃点迹密集的部分,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)要防止槽码落地,避免小车跟滑轮相碰,当小车到达滑轮前及时用手按住。

(6)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4个点取一个计数点,即时间间隔为t=0.1s。

(7)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。

创新典例·深研剖析
类型一教材原型实验
角度1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”实验中,实验装置如图所示:
(1)除打点计时器(含纸带、复写纸)、小车、一端附有滑轮的长木板、细绳、钩码、导线及开关外,在下面的仪器和器材中,必须使用的有__A、C__;(填选项代号) A.电压合适的交流电源 B.电压可调的直流电源
C.刻度尺
D.秒表
E.天平
(2)实验过程中,下列做法正确的是__B、D__(填选项代号)。

A.先释放小车,再接通电源
B.先接通电源,再释放小车
C.将接好纸带的小车停在靠近长木板滑轮处
D.将接好纸带的小车停在靠近打点计时器处
【解析】(1)使用打点计时器是需要用电压合适的交流电源;处理纸带时需要用刻度尺,而天平与秒表均不需要。

故选A、C。

(2)实验过程中,要先接通电源,再使纸带运动,故A错误,B正确;为充分利用纸带,则应该将接好纸带的小车停在靠近打点计时器处,故C错误,D正确。

答案:(1)A、C(2)B、D
角度2实验数据处理
【典例2】(2024·广安高一检测)在“用电磁打点计时器测速度”的实验中,已知交流电源的频率为50Hz。

(1)下列说法正确的是__B__。

A.拖动纸带的同时,闭合电源开关
B.先闭合电源开关,打点计时器正常工作时再拖动纸带
C.纸带上打的点密集,说明纸带运动速度较大
D.此次实验所用电源为220V交流电源
(2)某同学拖动纸带运动,打点计时器在纸带上打出一系列点,处理时每隔1个点取一个计数点,标上字母A、B、C、D、E、F(中间的点未画出)。

如图所示,该同学用毫米刻度尺进行测量,请帮忙读出B在刻度尺上的位置,填到表中:
计数点B C D E F
位置(cm)1.322.754.446.228.12
由表中数据可计算出打下AF段纸带时小车的平均速度为__0.406__m/s。

(保留3位有效数字)
(3)打点计时器打下C点时小车的速度v C=__0.390__m/s。

(保留3位有效数字)【解析】(1)为了提高纸带的利用率,同时为了使打点更稳定,减小误差,要先接通电源,待计时器开始打点再释放小车,A错误,B正确;纸带上打的点密集,在相等的时间内位移较小,说明纸带运动速度较小,C错误;电磁打点计时器使用8V的交流电源,D错误。

故选B。

(2)由图可读出B在刻度尺上的位置为1.32cm。

纸带上每隔1个点取一个计数点,所以相邻计数点之间的时间间隔T=0.04s,打下AF段纸带时小车的平均速度为=A5=8.12×10−2
5×0.04m/s=0.406m/s
(3)打点计时器打下C点时小车的速度近似等于BD两点间的平均速度,即
v C=B2=(4.44−1.32)×10−2
2×0.04m/s=0.390m/s
答案:(1)B(2)1.320.406(3)0.390
类型二创新型实验
【典例3】(2024·沈阳高一检测)(1)用气垫导轨和数字计时器能更精确地测量物体的瞬时速度。

如图所示,滑块在牵引力作用下先后通过两个光电门,配套的数字计时器记录了遮光板通过第一个光电门的时间为Δt1=0.30s,通过第二个光电门的时间为Δt2=0.11s,已知遮光板的宽度为3.0cm,滑块通过第一个光电门速度大小为__0.10__m/s通过第二个光电门的速度大小为__0.27__m/s。

(均保留两位有效数字)
(2)为使测量值更接近瞬时速度,正确的措施是__B__。

(填选项代号)
A.提高测量遮光板宽度的精确度
B.换用宽度更窄的遮光板
C.使滑块的释放点更靠近光电门
【解析】(1)滑块经过第一个光电门的速度v1=
Δ1=0.030.30m/s=0.10m/s
滑块经过第二个光电门的速度v2=
Δ2=0.030.11m/s≈0.27m/s
(2)实验中利用平均速度等效替代瞬时速度。

遮光板越窄,或速度越大,遮光时间越短,平均速度越接近瞬时速度,即换用宽度更窄的遮光板,即可实现Δt趋向于0;而使滑块的释放点更靠近光电门,或者提高测量遮光板宽度的精确度均不能达到Δt
趋向于0的条件;故B正确。

答案:(1)0.100.27(2)B [创新角度]
(1)实验原理的创新。

(2)实验器材的创新。