高中物理必修1第2章 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及利用纸带求速度。(2)学会用实验探究小车速度随时间变化的规律的方法，学会用v－t图像处理实验数据。二、实验原理利用打点计时器打出的纸带上记录的数据，计算出各时刻的速度，再作出速度—时间的关系图像。(1)某点的瞬时速度一般用一小段时间内的平均速度代替。(2)若v－t图像为一倾斜直线，则物体做匀变速直线运动，图线的斜率表示加速度。 三、实验器材打点计时器、学生电源、复写纸、纸带、导线、一端带有滑轮的长木板、小车、细绳、钩码、刻度尺、坐标纸。 四、实验步骤(1)如图2－1－1所示，把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。图2－1－1 (2)把一条细绳拴在小车上，使细绳跨过滑轮，下边挂上钩码，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，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。关闭电流。(4)换上新的纸带，重复实验两次。(5)增减所挂钩码，按以上步骤再做两次实验。 五、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开始点，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…，测量各计数点到0点的距离x，并记录填入表中。位置编号012345时间t/sx/mv/(m·s－1) (2)分别计算出与所求点相邻的两计数点之间的距离Δx1、Δx2、Δx3…。(3)计算平均速度，用平均速度代替相关计数点的瞬时速度，填入上面的表格中。(4)根据表格中的数据，分析速度随时间怎么变化。 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。图2－1－2(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2－1－2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。 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，立即断开电源。(4)选取一条点迹清晰的纸带，适当舍弃点密集部分，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等于多少秒。 (5)牵引小车的钩码质量要适宜。如果质量过大，纸带上打出的计时点太少；如果质量过小，打出的点过于密集，不便于测量距离。(6)要防止钩码落地，避免小车跟滑轮相碰，当小车到达滑轮前及时用手按住。(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。 七、误差分析(1)木板的粗糙程度不同，摩擦不均匀。(2)根据纸带测量的位移有误差，从而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。 [例1]在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，利用打点计时器在纸带上打的点记录小车的运动情况。某同学做此实验时步骤如下：A．拉住纸带，将小车移至靠近打点计时器处，放开纸带，再接通电源。B．将打点计时器固定在长木板上，并接好电路。C．把一条绳拴在小车上，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，重复操作三次，然后从所有纸带中选取一条点迹清晰的进行数据处理。其中错误或遗漏的步骤有：(1)_________________________________________；(2)_________________________________________。将以上步骤完善后按合理的顺序填写在下面横线上。______________________________________________。 [解析]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，所以错误操作是步骤A、D。错误操作：(1)A选项中应先接通电源，再释放纸带；(2)D选项中取纸带前应先断开电源。合理顺序：BECADF。[答案]见解析 [例2]在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，如图2－1－3所示为一次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，(A点为第一个点)相邻计数点间的时间间隔T＝0.1s。图2－1－3 (1)根据________________计算各点瞬时速度，且vD＝________m/s，vC＝________m/s，vB＝________m/s。(2)在如图2－1－4所示坐标系中画出小车的v－t图线，并根据图线求出a＝________。图2－1－4(3)将图线延长与纵轴相交，交点的物理意义是_____________________________________________________。 (3)将图线延长后，与纵轴的交点的速度表示零时刻小车经过A点的速度大小。[答案](1)某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度3.902.641.38(2)图像见解析12.6m/s2(3)表示零时刻小车经过A点的速度大小 [例3]在用打点计时器“研究物体的速度随时间的变化规律”的实验中，某同学将打点计时器打出的三条纸带，分别以间隔相同点迹的方式依次剪成短纸条，按先后顺序一端对齐粘贴在一起。然后用平滑线段将各段纸带顶端的中点连起来，形成如图2－1－5所示的图像，则根据纸带的特点即可研究物体的速度随时间的变化规律。以下说法不正确的是() 图2－1－5A．图甲表示物体做匀速直线运动B．图乙表示物体做匀速直线运动C．图乙表示物体的速度随时间均匀增加D．图丙表示物体的速度先随时间均匀增加，后保持不变 [答案]B