第1节 实验：探究小车速度随时间变换的规律 Word版含解析

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Δx1、Δx2、Δx3……，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v1＝，v2＝，……。
（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x1、x2、x3、x4、…，填入表中。
位置
1
2
3
4
5
6
长度
x1
x2
x3
x4
x5
x6
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：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。
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＝。
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M
E.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，vD＝　　　　 m/s，vC＝　　　　 m/s，vB＝　　　　 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
vD＝＝ cm/s＝390 cm/s＝3.90 m/s
C点的瞬时速度
vC＝＝ cm/s＝264 cm/s＝2.64 m/s
B点的瞬时速度
vB＝＝ cm/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＝＝ m/s2＝12.6 m/s2
答案　（1）3.90　2.64　1.38　（2）图见解析　12.6 m/s2
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v1、v2、v3、v4、v5、…，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
a1＝，a2＝，a3＝，…，an＝。
求加速度的平均值
＝
＝＝。
从结果看，真正参与运算的只有v1和vn＋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/s2。（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
vB＝＝ m/s＝0.56 m/s，
vD＝＝ m/s＝0.96 m/s。
（2）根据a＝，代入数据整理可得a＝2.0 m/s2。
答案　（1）0.56　0.96　（2）2.0
1.（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　ABD
2.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.⑤④①②③⑥ B.⑤④①③⑥②
C.⑤④①⑥③② D.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。
答案　A
3.“利用电火花计时器研究小车速度随时间变化的规律”的实验中。
（1）下述器材中不需要的是　　　　　（用代号表示）。
①220 V交流电源；②电火花计时器；③秒表；④小车；⑤带滑轮的长铝板；⑥纸带；⑦天平；⑧刻度尺
（2）如图所示是某同学实验时得到的一条纸带（实验中交流电源的频率为 50 Hz），依照打点的先后顺序取计数点1、2、3、4、5、6、7，相邻两计数点间还有4个点未画出，测得x1＝1.42 cm，x2＝1.91 cm，x3＝2.40 cm，x4＝2.91 cm，x5＝3.43 cm，x6＝3.92 cm。
①打计数点2时纸带的速度大小v2＝　　　　　 m/s（保留2位有效数字）；
②如果当时电网中交流电的频率f＝49 Hz，而做实验的同学并不知道，那么由此引起速度的测量值比实际值偏　　　　　（选填“大”或“小”）。
解析　（1）电火花计时器使用220 V的交流电源，可以直接记录时间，不需要秒表。在该实验中，不需要测量质量，所以不需要天平。故不需要的器材为③⑦。
（2）①打计数点2时纸带的瞬时速度为
v2＝＝ m/s≈0.17 m/s。
②如果当时电网中交流电的频率f＝49 Hz，则实际的打点周期大于0.02 s，而进行计算时仍用0.02 s，所以速度的测量值比实际值偏大。
答案　（1）③⑦ 　（2）①0.17　②大
4.一个物体拖动纸带运动，获得打点计时器打出的一段纸带如图所示，每两个计数点之间的时间间隔为0.1 s，打点计时器打下计数点3时物体的瞬时速度为　　　　　；打点计时器打下计数点4时物体的瞬时速度为　　　　　　；物体的加速度为　　　　　。
解析　v3＝＝ m/s＝0.50 m/s
v4＝＝ m/s＝0.65 m/s
a＝＝ m/s2＝1.50 m/s2
答案　0.50 m/s　0.65 m/s　　1.50 m/s2
5.如图所示，某同学在做“研究小车速度随时间变化的规律”的实验中，由打点计时器得到表示小车运动过程的一条清晰纸带，纸带上两相邻计数点的时间间隔为T＝0.10 s，其中x1＝7.05 cm，x2＝7.68 cm、x3＝8.33 cm、x4＝8.95 cm、x5＝
9.61 cm、x6＝10.26 cm。
（1）求计数点3处的瞬时速度的大小；
（2）作出小车运动的速度—时间图像，由图像求小车运动的加速度。（保留2位有效数字）
解析　（1）计数点3的瞬时速度
v3＝＝ m/s≈0.86 m/s，
（2）同理可求
v1＝＝ m/s≈0.74 m/s，
v2＝＝ m/s≈0.80 m/s，
v4＝＝ m/s≈0.93 m/s，
v5＝＝ m/s≈0.99 m/s。
以纵轴表示速度，以横轴表示时间，描点连线如图所示。
由图像可以看出，小车的速度随时间均匀增加，其运动的加速度可由图线求出，即
a＝＝0.63 m/s2（0.62～0.64 m/s2均可）。
答案　（1）0.86 m/s　（2）图见解析　0.63 m/s2