教科版高中物理必修第一册 第二章 匀变速直线运动的规律 1 匀变速直线运动的研究 课件(共54张PPT)

(共54张PPT)
1．匀变速直线运动的研究
　　　　
第二章　匀变速直线运动的规律
1．会利用v-t图像处理实验数据，并据此判断物体的运动性质。
2．能根据实验数据求加速度。
3．了解实验原理、步骤、实验设计方案及数据处理方法，培养学生科学探究能力和科学思维能力，树立物理研究的科学态度。
素养目标
探究过程　梳理要点
一、匀变速直线运动
1．定义：速度随时间均匀变化的直线运动。匀变速直线运动中，加速度保持不变。
2．v-t图像：是一条倾斜的直线。
3．分类
(1)匀加速直线运动：a和v同向，速度随时间均匀增加。
(2)匀减速直线运动：a和v反向，速度随时间均匀减小。
二、实验：研究小车的运动
方案(一)：用打点计时器进行研究
1．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，用这段位移的平均速度表示这点的瞬时速度。
(2)判断小车的运动规律
①方法Ⅰ：取任意两个点，计算两点间的加速度a＝　　　　　。若取不同的两个点，求得的加速度都相等，则小车的运动是匀变速直线运动。
②方法Ⅱ：绘制v-t图像，若v-t图像是一条倾斜的直线，则小车的运动是匀变速直线运动。
2．实验器材
打点计时器(带导线)、交流电源、刻度尺、纸带、一端附有滑轮的长木板、小车、细绳、钩码、复写纸、坐标纸等。
3．实验步骤
(1)安装实验器材，连接好电路，如图所示。
(2)把一条细绳拴在小车上，使细绳跨过滑轮，下面挂上合适的钩码，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)使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)增减钩码再打纸带：增加一个钩码，按上述方法打出纸带Ⅱ。在打纸带Ⅰ时的基础上减少一个钩码，仍按上述方法打出纸带Ⅲ。
4．数据处理
(1)计算法
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…如下图所示。
②测距离：一次性测出0～1、0～2、0～3、0～4…的距离x1、x2、x3、x4…
③求瞬时速度：1、2、3、4…各点的瞬时速度分别为：
④计算各段的加速度：
⑤根据计算的加速度，分析速度随时间变化的规律。
(2)图像法
①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观察得到的直线，分析物体的速度随时间的变化规律。
(3)实验结论：小车速度随时间均匀变化。
5．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，立即关闭电源。
(4)选取一条点迹清晰的纸带，适当舍弃点迹密集部分，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)测量各段距离，应尽可能地一次测量完毕。
(6)在坐标纸上画v-t图像时，注意坐标轴单位长度的选取，应使图像尽量有效利用坐标纸的面积。
方案(二)：用位移传感器进行研究
1．实验结构示意图(如图所示)
2．实验原理与操作
(1)位移传感器由发射端和接收端组成，发射端固定在小车上，接收端悬挂在轨道顶端上方，通过位移传感器测量小车各时刻的位移。
(2)将位移传感器获得的数据通过数据采集器输入到计算机，由计算机软件进行处理，生成v－t的散点图，然后进行“线性拟合”，得到v-t图像。
(3)由v-t图像分析小车速度随时间变化的规律。
3．实验结论：小车速度随时间均匀变化。
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合作交流　应用拓展
一　教材原型实验
　　　在“测定匀变速直线运动的加速度”的实验中，用打点计时器在纸带上打的点记录了小车的运动情况。某同学做此实验时的步骤如下：
A．拉住纸带，把小车停在靠近打点计时器的位置，先放开纸带，再接通电源
B．将打点计时器固定在长木板上
C．把一条细绳拴在小车上，细绳跨过定滑轮，下面挂上适当的钩码
D．小车停止运动后，直接取下纸带
E．将纸带固定在小车尾部，并穿过打点计时器的限位孔
F．换上新纸带，再重复操作两次，然后从各纸带中选取一条点迹清晰的进行测量并数据处理
例1
其中错误的步骤有(指出并改正)
(1) _______________________________；
(2)____________________________。
将以上步骤完善后，其合理的顺序为_____________。
A中应先接通电源，再放开纸带
D中取纸带前应先断开电源　
BECADF
实验过程中应先接通电源，再放开纸带；取纸带前应先断开电源，所以错误操作是A、D步骤。该实验步骤中合理的顺序为BECADF。
　　　在“探究小车速度随时间变化规律”的实验中，打点计时器使用的交流电源的频率为50 Hz，记录小车运动的纸带如图甲所示，在纸带上选择6个计数点A、B、C、D、E、F，相邻两计数点之间还有4个点未画出，各点到A点的距离依次是2.0 cm、5.0 cm、9.0 cm、14.0 cm、20.0 cm。
(1)根据学过的知识可以求出小车在B点的速度为vB＝_______m/s。C、E间的平均速度为_______m/s。
例2
0.25
0.45
(1)相邻两个计数点间的时间间隔为T＝5×0.02 s＝0.1 s
(2)以打A点时为计时起点，建立v－t坐标系如图乙所示。请在图乙中作出小车运动的速度与时间的关系图线。
答案：见解析图
vD＝ CE＝0.45 m/s，
在v-t图像中描述这些点并连线，作出v-t图像如图所示。
(3)根据图线可得小车运动的加速度为______m/s2。
1　
在v-t图像中，图线的斜率表示加速度，即a＝　　　　 m/s2＝1 m/s2。
针对练．(2024·黑龙江省齐齐哈尔市月考)某同学在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中。用打点计时器记录了由静止释放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共5个计数点，各计数点到A点的距离如图甲所示，每两个相邻的计数点之间还有4个计时点未画出，电源频率为50 Hz。
(1)实验时纸带的______(选填“左”或“右”)端是和小车相连的；
左
由于小车由静止释放，做加速运动，则纸带左端与小车相连。
(2)根据图甲纸带上的数据，算出打D点时小车的瞬时速度大小，并将值填入下表中，结果保留3位有效数字；
计数点 B C D
速度v/(m·s－1) 0.260 0.300
0.340
纸带上每两个相邻的计数点之间还有4个计时点未画出，电源频率为50 Hz，可知纸带上相邻两计数点间的时间间隔为T＝ 　×5 s＝0.1 s
用一段时间内的平均速度代表这段时间中间时刻的瞬时速度，可得vD＝
　　　　　　　　　 m/s＝0.340 m/s。
(3)以A点为计时起点，将B、C、D各点对应的瞬时速度标在直角坐标系中，并画出图线如图乙所示。由图可得小车的加速度大小为______ m/s2(保留2位有效数字)，图中图线与纵轴交点的物理意义是____________________________。
0.40
打A点时小车的瞬时速度大小
(3)v-t图像斜率的大小表示加速度的大小，则有a＝　　　　 m/s2＝0.40 m/s2
由于A点为计时起点，则图线与纵轴交点为0时刻的瞬时速度大小，即打A点时小车的瞬时速度大小。
二　拓展创新实验
例3
　　　某同学在学习了DIS实验后，设计了一个测量物体瞬时速度的实验，其装置如图所示。
在小车上固定遮光片，使遮光片的前端与车头齐平、将光电门传感器固定在轨道侧面，垫高轨道的一端。该同学将小车从该端同一位置由静止释放，获得了下表所示的几组实验数据。
实验次数 不同的遮光片 通过光电门的时间/s 速度/(m·s－1)
第一次 Ⅰ 0.230 44 0.347
第二次 Ⅱ 0.174 64 0.344
第三次 Ⅲ 0.116 62 0.343
第四次 Ⅳ 0.058 50 0.342
(1)则以下表述正确的是______。
①四个遮光片中，遮光片Ⅰ的宽度最小
②四个遮光片中，遮光片Ⅳ的宽度最小
③四次实验中，第一次实验测得的速度最接近小车车头到达光电门时的瞬时速度
④四次实验中，第四次实验测得的速度最接近小车车头到达光电门时的瞬时速度
A．①③ B．②③ C．①④ D．②④
D
实验次数 不同的遮光片 通过光电门的时间/s 速度/(m·s－1)
第一次 Ⅰ 0.230 44 0.347
第二次 Ⅱ 0.174 64 0.344
第三次 Ⅲ 0.116 62 0.343
第四次 Ⅳ 0.058 50 0.342
根据x＝vt，可求遮光片的宽度，四次实验，通过光电门的速度大约相同，第四次实验通过光电门的时间最短，所以四个遮光片中，遮光片Ⅳ的宽度最小，①错误，②正确；小车做加速运动，遮光板的宽度越小，遮光片的平均速度越趋近于车头的瞬时速度，遮光片Ⅳ的宽度最小，所以四次实验中，第四次实验测得的速度最接近小车头到达光电门时的瞬时速度，③错误，④正确；故选D。
(2)使遮光片的前端与车头齐平，测量车头到达光电门时的瞬时速度，测量值跟实际值相比______。
A．偏大　　　　　　
B．偏小　　　
C．相等
A
本实验中用遮光片的平均速度代替车头通过光电门的速度，而小车做加速运动，故测量值跟真实值相比偏大。故选A。
针对练．光电计时器是一种常用计时仪器，其结构如图甲所示，a、b分别是光电门的激光发射和接收装置，当有滑块从a、b间通过时，光电计时器就可以显示出滑块的挡光时间。现有某滑块在斜面上滑行，先后通过光电门1和2，计时器显示的挡光时间分别是t1＝5×10－2 s、t2＝3×10－2 s，从光电门1到光电门2所经历的总时间t＝0.15 s，用分度值为1 mm的刻度尺测量滑块的长度d，示数如图乙所示。
(1)读出滑块的长度d为________cm。
4.40　
由题图乙可知d＝8.40 cm－4.00 cm＝4.40 cm。
(2)滑块先后通过两光电门的速度v1、v2分别为________m/s、________m/s。(计算结果保留2位小数)
0.88
1.47
通过两光电门的速度v1＝　＝0.88 m/s，v2＝　≈1.47 m/s。
(3)滑块的加速度大小为________m/s2(计算结果保留2位小数)。
3.93
滑块的加速度a＝　　　　　　　　　 m/s2≈3.93 m/s2。
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课 时 测 评
1．(5分)(多选)在“测定匀变速直线运动的加速度”的实验中，下列方法有益于减小实验误差的是
A．把每五个点的时间间隔作为一个周期来选取计数点
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
√
√
√
选取计数点可以使测量和计算的相邻点间的间隔增大，在用刻度尺测量这些点间的间隔时，在绝对误差基本相同的情况下，相对误差较小，故A正确；在此实验中，如果小车运动的加速度过小，打出的点很密，长度测量的相对误差较大，测量准确度会降低，因此使小车的加速度略大一些较好，故B错误；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，这样测量的相对误差较小，故C正确；D项描述是物体运动加速度不变的前提，故D正确。
2．(10分)在做“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中
(1)下列仪器需要用到的有_____。
AB
在做“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，依据实验原理，通过打点计时器在纸带上打点，借助刻度尺来测量长度，从而研究小车的速度与时间的关系，故实验中需要用到的仪器为AB。
(2)某同学进行了以下实验操作步骤，其中有误的步骤是_____。
A．将电火花打点计时器固定在长铝板的一端，并接在220 V交流电源上
B．将纸带固定在小车尾部，并穿过打点计时器的限位孔
C．把一条细绳拴在小车上，细绳跨过定滑轮，下面吊着重量适当的槽码
D．将小车移到靠近打点计时器的一端后，放开小车，再接通电源
D
将小车移到靠近打点计时器的一端后，应先接通电源，后放开小车，D错误，A、B、C正确。
(3)在实验中得到一条如图所示的纸带，已知电源频率为50 Hz，相邻计数点间的时间间隔为0.1 s，测量出x5＝4.44 cm、x6＝4.78 cm，则打下F点时小车的瞬时速度v＝________ m/s(结果保留2位有效数字)。
0.46
打下纸带上F点时小车的瞬时速度大小为
v＝　　　　　　　　　　　　 m/s≈0.46 m/s。
(4)若实验时电源频率大于50 Hz，则打下F点时小车的实际速度________ (选填“大于”“小于”或“等于”)测量速度。
大于
若实验时电源频率大于50 Hz，则相邻计数点间的时间间隔T＜0.1 s，由
F点的瞬时速度表达式v＝　　　可知，其实际速度大于测量速度。
3．(10分)在探究“小车速度随时间变化的规律”的实验中，打点计时器接在50 Hz的交流电源上，某同学在打出的纸带上每5个点取一个计数点，共取了A、B、C、D、E、F六个计数点，如图甲所示。从每一个计数点处将纸带剪开分成五段(分别为a、b、c、d、e段)，将这五段纸带由短到长紧靠，但不重叠地粘在xOy坐标系中，如图乙所示，由此可以得到一条表示v－t关系的图线。
(1)请在图乙中用最简洁的方法作出能表示v－t关系的图线，其______(选填“x”或“y”)轴相当于v轴。
答案：见解析图
y
分别取a、b、c、d、e五段纸带的上方中点，并连线，得
到的即为v-t图像，如图所示，y轴相当于v轴。
(2)从第一个计数点开始计时，为求出0.15 s时刻的瞬时速度，需要测出_____(选填“a、b、c、d、e”中的一个)段纸带的长度。
b
相邻两个数点的时间间隔T＝0.1 s，t＝0.15 s是BC时间段的中间时刻，要求t＝0.15 s时的瞬时速度，只需要测出b段纸带的长度xb，然后利用
　　　可得到t＝0.15 s时的瞬时速度。
(3)若测得a段纸带的长度为2.0 cm，e段纸带的长度为10.0 cm，则可求出加速度的大小为_______m/s2。
2.0
a、e段各自中间时刻的瞬时速度分别为va＝　　　　　　 m/s＝0.2 m/s，ve＝　　　　　　 m/s＝1.0 m/s，根据a＝　 可知，a＝　　　 m/s2＝2.0 m/s2。
4．(5分)某探究小组用自制“滴水计时器”研究小车在水平桌面上的直线运动。如图(a)所示，将该计时器固定在小车旁，用手轻推一下小车，在小车运动过程中滴水计时器等时间间隔地滴下小水滴。图(b)记录了桌面上连续6个水滴的位置，已知滴水计时器每30 s滴下46个小水滴。
(1)由图(b)可知，小车在桌面上的运动方向是_____________(选填“由左向右”或“由右向左”)。
由右向左
小车在阻力作用下，做减速运动，由题图(b)可知，从右到左相邻水滴间的距离逐渐减小，所以小车在桌面上由右向左运动。
(2)该小组同学根据图(b)的数据判断出小车做加速度不变的直线运动。滴水计时器滴下图(b)中点A处的水滴时，小车的速度大小为________m/s，加速度大小为________m/s2。(结果均保留2位有效数字)
0.19
0.038
已知滴水计时器每30 s滴下46个小水滴，有45个间隔，所以相邻水滴间
间隔的时间t＝　 s＝　 s
滴水计时器滴下点A处的水滴时，小车的速度大小为
vA＝　　　　 　　　　　 m/s≈0.19 m/s
同理，可求出滴下左侧第2个水滴时，小车的速度为
v1＝　　　　　　　　　 m/s≈0.137 m/s
滴下右侧第2个水滴时，小车的速度为
v2＝　　　　　　　　　 m/s≈0.212 m/s
小车的加速度大小为
a＝　　　　　　　　　　m/s2≈0.038 m/s2。
5．(10分)某同学在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，用打点计时器记录了被小车拖动的纸带的运动情况，在纸带上确定出0、1、2、3、4、5、6共七个测量点。测量点间的距离如图甲所示，每两个相邻的测量点之间的时间间隔为0.10 s，试完成下面的问题。
(1)根据纸带上的数据，某同学已将1、2、3、5点对应时刻的瞬时速度进行计算并填入表中，请你将4点对应时刻的瞬时速度填入表中。
瞬时速度 v1 v2 v3 v4 v5
数值/(m·s－1) 0.165 0.214 0.263 0.363
0.314
4点对应时刻的瞬时速度大小为v4＝　　　　　　　　　m/s≈0.314 m/s。
(2)在如图乙所示的直角坐标系中画出小车的瞬时速度随时间变化的关系图线。
答案：见解析图
根据数据在坐标系中描点，观察发现各点大致在一条直线上，用直线拟合各点，得出v-t图线如图所示。
(3)由图像求出小车的加速度大小为a＝________ m/s2(结果保留3位有效数字)。
0.483
根据v-t图线的斜率表示加速度，可得小车的加速度大小为a＝　　　　　　
m/s2≈0.483 m/s2。
(4)如果实验时的电压变成210 V，而做实验的同学并不知道，则加速度的测量值________(选填“大于”、“小于”或“等于”)实际值。
等于
只要交流电的频率不变，则打点周期不变，小车速度的测量值不变，则加速度的测量值等于实际值。
(5)若实验时电源频率略低于50 Hz，但该同学并不知道，则测量得到的小车速度________(选填“大于”、“小于”或“等于”)真实速度。
大于
若实验时电源频率低于50 Hz，打点计时器的打点周期大于0.02 s，则相邻计数点间的时间间隔T＞0.1 s，由v＝　 可知，小车速度的测量值大于真实值。
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