高中同步學案優化設計GAOZHONGTONGBUXUEANYOUHAUSHEJI實驗:測量做直線運動物體的瞬時速度

(包括練習使用打點計時器)第一章2021內容索引0102課前篇自主預習課堂篇探究學習學習目標1.了解兩種打點計時器的結構和工作原理,會正確使用打點計時器。(科學思維)2.理解根據紙帶測量速度的原理并測量瞬時速度。(科學思維)3.會用速度—時間圖像表示速度,掌握描點作圖的方法,會根據畫出的圖像描述物體速度的變化情況。(科學探究)4.掌握科學探究的一般過程。(科學探究)思維導圖課前篇自主預習[必備知識]一、兩種打點計時器

比較項電火花計時器電磁打點計時器結構圖示

打點方式周期性產生電火花振針周期性上下振動電源頻率為50Hz時打點周期0.02s0.02s記錄信息位移、時間二、測量紙帶的平均速度和瞬時速度1.下圖是打點計時器打出的一條紙帶,若Δx=5cm,在D、G這兩個點的時間間隔中,紙帶運動的平均速度是0.5m/s。

2.上圖中,可以用包含E點的DG間或DF間的平均速度來代表E點的瞬時速度,DF間的平均速度更接近E點的瞬時速度。三、練習使用打點計時器1.實驗器材電磁打點計時器(或電火花計時器)、紙帶、刻度尺、導線、復寫紙片、低壓交流電源(頻率是50Hz,電火花計時器使用220V交流電源,頻率也為50Hz)。2.實驗步驟(1)把電磁打點計時器固定在桌子上,紙帶穿過限位孔,把復寫紙套在定位軸上,并且壓在紙帶上面。(2)把電磁打點計時器的兩個接線柱接到低壓交流電源上。(3)接通電源開關,用手水平拉動紙帶,使它在水平方向上運動,紙帶上就打下一系列點。隨后立即關閉電源。(4)取下紙帶,從能看得清的某個點開始(起始點),往后數出若干個點,如果共有n個點,那么n個點的間隔數為n-1個,則紙帶的運動時間Δt=(n-1)×0.02s。(5)用刻度尺測量出從起始點到第n個點間的距離Δx。(6)利用公式v=計算出紙帶在這段時間內的平均速度。(7)用刻度尺測量包含某點在內的兩點間的距離,計算出平均速度,用來替代該點的瞬時速度。3.實驗注意事項(1)實驗前,應將打點計時器固定好,以免拉動紙帶時晃動,并要先輕輕試拉紙帶,應無明顯的阻滯現象。(2)使用打點計時器打點時,應先接通電源,待打點計時器打點穩定后,再拉動紙帶。(3)手拉動紙帶時速度應快一些,以防點跡太密集。(4)使用電火花計時器時,應注意把紙帶正確穿好,墨粉紙盤位于紙帶上方,使用電磁打點計時器時,應讓紙帶穿過限位孔,壓在復寫紙下面。(5)使用電磁打點計時器時,如打出點較輕或是短線,應調整振針距復寫紙的高度。(6)打點計時器不能連續工作太長時間,打點之后應立即關閉電源。(7)對紙帶進行測量時,不要分段測量各段的位移,正確的做法是一次測量完畢(可先統一測量出各個測量點到起始測量點O之間的距離)。讀數時應估讀到毫米的下一位。四、用圖像表示速度1.速度—時間圖像:物體的速度隨時間變化的過程可以用速度—時間圖像描述。2.畫圖像:以速度v為縱軸,時間t為橫軸建立坐標系,在坐標系中,根據時刻與瞬時速度對應的坐標值描點。用一條平滑曲線來描出這些點,如果有些點難以落在曲線上,應該使它們大致均勻地分布在曲線兩側,得到v-t圖像。[自我檢測]1.正誤辨析(1)兩種打點計時器使用的電源都是220V的交流電源。(

)解析

電火花計時器使用220

V交流電源,電磁打點計時器使用約為8

V交流電源。答案

×(2)使用50Hz的交流電源,兩種打點計時器的打點時間間隔都是0.02s。(

)解析

打點計時器使用50

Hz的交流電源,打點時間間隔為0.02

s。答案

√(3)電火花計時器工作時,紙帶運動時受到的阻力較小。(

)解析

電磁打點計時器打點時振針對紙帶有摩擦力,而電火花計時器沒有這種摩擦力。答案

√(4)紙帶上兩較近點間的平均速度可以近似代表這兩點間某點的瞬時速度。(

)解析

計算紙帶上某點的瞬時速度時,可用該點附近兩點間的平均速度來代表這點的瞬時速度。答案

√(5)作速度—時間圖像時,先描點,再將各點用折線連接起來。(

)解析

應該用平滑的曲線將各點連接起來。答案

×2.(2020廣西南寧第二十六中學高一期中)用打點計時器可測紙帶運動的時間和位移。下面是沒有按操作順序寫的不完整的實驗步驟,按照你對實驗的理解,在各步驟空白處填上適當的內容,然后按實際操作的合理順序,將各步驟的字母代號按順序寫在空白處。A.在電磁打點計時器的兩接線柱上分別接上導線,導線的另一端分別接在頻率為50Hz的低壓

(選填“交流”或“直流”)電源的兩個接線柱上,則打相鄰兩點的時間間隔為

s;

B.把電磁打點計時器固定在桌子上,讓紙帶穿過限位孔,并壓在

下面;

C.用刻度尺測量從計時開始點到最后一個點間的距離Δx;D.切斷電源,取下紙帶,如果共有n個清晰的點,則這段紙帶記錄的時間Δt=

;

E.打開電源開關,再用手水平地拉動紙帶,紙帶上打下一系列小點;F.利用公式v=計算紙帶運動的平均速度。實驗步驟的合理順序是

。

解析

電磁打點計時器要接在低壓交流電源上。電源的頻率為50

Hz,根據

,解得T=0.02

s。把電磁打點計時器固定在桌子上,讓紙帶穿過限位孔,并壓在復寫紙下面。若打n個點,則有(n-1)個時間間隔,故這段紙帶記錄的時間Δt=0.02(n-1)

s。實驗步驟一般要按照先安裝器材然后進行實驗的思路進行,故實驗步驟的合理順序是BAEDCF。答案

交流

0.02

復寫紙

0.02(n-1)s

BAEDCF課堂篇探究學習問題一根據紙帶求解物體的運動速度[情境探究]實驗裝置如圖所示,使一輛小車從一端墊高的木板上滑下,木板旁裝有光電門,其中A管發出光線,B管接收光線。當固定在車上的遮光板通過光電門時,光線被阻擋,記錄儀上可以直接讀出光線被阻擋的時間。這段時間就是遮光板通過光電門的時間。根據測得的物理量能否測出遮光板通過光電門的平均速度?能否將該速度近似看作小車通過光電門的瞬時速度?要點提示

根據遮光板的寬度Δx和測出的時間Δt,就可以算出遮光板通過光電門的平均速度

。由于遮光板的寬度Δx很小,可以認為這個平均速度就是小車通過光電門的瞬時速度。[知識點撥]1.求解平均速度根據v=,求出任意兩點間的平均速度。兩點間的位移Δx可以用刻度尺測量出,Δt為兩點間的間隔數與單個時間間隔0.02s的乘積。如圖所示,將打好點的紙帶從能夠看清的某個點開始,往后數出若干個點,比如共數出n個點,用刻度尺測出第一個點到第n個點的距離Δx,并算出這n個點的時間間隔,則平均速度,其中T=0.02s。2.粗略計算瞬時速度

[實例引導]例1打點計時器所用電源的頻率為50Hz,某次實驗中得到的一條紙帶,用毫米刻度尺測量情況如圖所示,紙帶在A、C間的平均速度為

m/s,A、D間的平均速度為

m/s,B點的瞬時速度更接近于

m/s。

答案

0.35

0.42

0.35規律方法

1.確定時間:確定時間時注意相鄰計數點間計時點個數及打點周期。2.確定位移:確定位移時注意起始點和終止點。3.計算瞬時速度都是用一段時間內的平均速度來代替瞬時速度。變式訓練1某同學分析小車的運動時,從若干條紙帶中選出點跡比較清晰的一條紙帶,如圖所示,他每隔四個點取一個計數點,并在圖上標明了各計數點之間的距離(單位:cm)。(1)計算0~6點間小車的平均速度;(2)計算打第4個計數點時小車的瞬時速度。解析

(1)0~6點間小車的位移x=x1+x2+……+x6=40.53

cm每兩個相鄰計數點間有4個點,故每兩個相鄰計數點間的時間間隔T=0.02×5

s=0.1

s0~6點間的時間間隔t=6T=6×0.1

s=0.6

s答案

(1)0.68m/s

(2)0.83m/s問題二v-t圖像[情境探究]某小組的同學根據求解瞬時速度的方法,計算出紙帶上不同時刻對應的瞬時速度值,以縱軸為速度v,橫軸為時間t,建立坐標系,將不同時刻的速度在坐標系中描點(如圖甲),最后用平滑曲線來“擬合”實驗中描出的點(如圖乙)。對比位移—時間圖像,速度—時間圖像表示什么?v-t圖像是描述直線運動還是曲線運動?要點提示

表示物體的速度隨時間的變化情況;直線運動。

[知識點撥]1.v-t圖像反映了物體的速度隨時間變化的規律。根據v-t圖像可以讀出物體在某時刻的速度或物體的某一速度所對應的時刻。2.判斷運動方向。根據速度的正、負判斷運動方向,速度為正,表示物體沿正方向運動;速度為負,表示物體沿負方向運動。[實例引導]例2如圖所示是一條利用打點計時器打出的紙帶,0、1、2、3、4、5、6是七個計數點,每相鄰兩個計數點之間還有四個計時點未畫出,測得各計數點到0點的距離如圖所示,求出各計數點的瞬時速度并畫出v-t圖像。解析

用平均速度代替中間時刻瞬時速度的辦法求解各點瞬時速度,v1=0.195

m/s,v2=0.40

m/s,v3=0.61

m/s,v4=0.69

m/s,v5=0.70

m/s,而0點和6點的速度不能求出。建立直角坐標系,橫軸表示時間,縱軸表示速度,然后描點,用平滑曲線將描下的點連成線,v-t圖像如圖所示。答案

見解析

規律方法

在平面直角坐標系中,用橫軸表示時間,用縱軸表示速度,根據瞬時速度和相對應的時刻在坐標系中描出各點,再用平滑的曲線連接描出的各點,就得到運動物體的速度—時間圖像,即v-t圖像,在這一過程中要注意“順勢”平滑,如果有些點難以落在曲線上,應使它們大致均勻分布在曲線的兩側,切忌把各點用折線連接起來。變式訓練2(多選)如圖所示,為一物體做直線運動的速度—時間圖像,在整個運動過程中,下列說法正確的是(

)A.BC段和CD段的運動方向相反B.CD段和DE段的運動方向相反C.物體在D點速度為零,此后運動方向改變D.AB段物體靜止解析

由圖可知,物體在0~20

s內的速度均為正值,運動方向不變,物體在D點速度為零,此后運動方向改變,A錯誤,B、C正確;AB段物體的速度為v=5

m/s,D錯誤。答案

BC

隨堂檢測1.圖示為一物體的速度—時間圖像,根據圖線做出以下幾個判定,正確的是(

)A.物體始終沿正方向運動B.物體先沿負方向運動,在t=2s后開始沿正方向運動C.物體始終沿負方向運動D.物體先沿正方向運動,在t=2s后開始沿負方向運動解析

速度的正負表示速度的方向,由圖像知在前2

s內物體沿負方向運動,后2

s內物體沿正方向運動,A、C、D錯誤,B正確。答案

B2.(多選)(2020貴州黔南州高一月考)某同學在用打點計時器測速度的實驗中,根據紙帶數據所得出的v-t圖像如圖所示,對其物理意義敘述正確的是(

)A.在0~6s內,物體以2cm/s的速度做勻速直線運動B.在0~0.12s內物體的平均速度為2cm/sC.在0.12~0.16s內,物體的速度由2cm/s增加到4cm/sD.從8s初開始,物體以8cm/s的速度做勻速直線運動解析

在0~6×0.02

s內,即0.12

s內,物體以2

cm/s的速度做勻速直線運動,故A錯誤;由上分析可知,在0~0.12

s內物體做勻速直線運動,那么其平均速度為2

cm/s,故B正確;由圖像可知,在0.12~0.16

s內,物體的速度由2

cm/s增加到4

cm/s,故C正確;從8×0.02

s,即0.16

s初開始,物體以8

cm/s的速度做勻速直線運動,故D錯誤。答案

BC3.如圖所示的四條紙帶是某同學練習使用打點計時器得到的紙帶(紙帶的左端先通過打點計時器)。從點跡的分布情況可以斷定:紙帶

運動越來越快,紙帶

開始時運動越來越快,后來越來越慢。若所用電源的頻率是50Hz,圖中紙帶D,從A點到B點,歷時

s,位移為

m,這段時間內紙帶運動的平均速度是

m/s,AD段的平均速度是

m/s。

解析

B紙帶相鄰兩點間距離越來越大,則速度越來越大;D紙帶相鄰兩點間的距離先變大,后變小,說明速度先變大后變小,因此D紙帶開始時運動越來越快,后來越來越慢。因為所用電源的頻率是50

Hz,則相鄰兩點間的時間間隔為0.02

s,從A點到B點有兩段時間間隔,所以時間為0.04

s,由題圖可知,A點到B點位移為0.27

m,這段時間的平均速度

=6.75

m/s。AD段的位移為63

cm,即0.63

m,所用時間為0.08

s,則平均速度=7.875

m/s。答案

B

D

0.04

0.27

6.75

7.8754.在進行“探究小車速度隨時間變化的規律”實驗中:(1)圖1所示實驗器材是

(選填“計時”“測速”或“測距”)的儀器。其中必須使用約為8V低壓交流電源的是

(選填“甲”或“乙”)。

圖1(2)已提供了小車、一端附有滑輪的長木板、紙帶、細繩、刻度尺、導線。為了完成實驗,還須從圖2中選取實驗器材:

(此項為多選,請填寫相應的字母符號)。

圖2(3)實驗得到一條清晰的紙帶,如圖3所示是截取了其中某一段紙帶用刻度尺(單位:cm)測量時的情景,其中A、B、C、D、E、F為6個相鄰的點跡。已知打點計時器所用電源的頻率為50Hz。其中計數點E所在位置的刻度尺讀數為

cm,小車加速過程中E點瞬時速度大小為

m/s