2024-2025學(xué)年新教材高中物理第二章勻變速直線運動的研究1實驗：探究小車速度隨時間變化的規(guī)律學(xué)案新人教版必修第一冊

PAGE8-其次章勻變速直線運動的探討本章素養(yǎng)概述〔情境導(dǎo)入〕在生活中，高山滑雪、汽車啟動、百米賽跑……；在自然界里，物體下落、獵豹捕食，螞蟻搬家……這些物體的運動，大多是變速運動，其運動規(guī)律比較困難。本章在駕馭了描述運動學(xué)的幾個物理量的基礎(chǔ)上，詳細(xì)探討一種最簡潔的變速運動——勻變速直線運動的規(guī)律?！矁?nèi)容提要〕本章的探究不是從抽象的概念動身，而是先讓同學(xué)們探究小車在重物牽引下做的變速運動，視察、記錄小車隨時間改變的狀況。然后從實例動身，學(xué)習(xí)勻變速直線運動的速度與時間的關(guān)系、位移與時間的關(guān)系。最終探討最簡潔的勻加速直線運動——自由落體運動，領(lǐng)悟伽利略對自由落體運動的探討方法對近代科學(xué)的影響。本章重點：①進(jìn)一步理解位移、速度和加速度；②駕馭勻變速直線運動的規(guī)律；③駕馭自由落體運動的規(guī)律。本章難點：①經(jīng)驗勻變速直線運動的探討過程；②運用勻變速直線運動的規(guī)律解決實際問題；③追及、相遇問題?！矊W(xué)法指導(dǎo)〕1．本章規(guī)律多，公式和推論多，學(xué)習(xí)中留意不要去死記硬背這些規(guī)律和公式，重要的是領(lǐng)悟概念的實質(zhì)，把握公式的來龍去脈，要通過一些詳細(xì)的實例，通過實際物理現(xiàn)象的分析、物理過程的相識，構(gòu)建正確的物理情景，逐步形成良好的思維習(xí)慣。2．重視物理過程的分析，特殊是多解問題的分析，要選擇合適的規(guī)律，找準(zhǔn)過程的連接點。留意運用數(shù)學(xué)工具(如圖像、函數(shù))分析物理過程及臨界狀態(tài)量，例如解決追及與相遇問題。3．要有意識地培育自己畫運動示意圖分析困難運動的習(xí)慣，這樣運動過程會變得形象、直觀，便于探討。解題時要思路開闊，通過聯(lián)想比較，篩選最簡潔的解題公式。另外還要留意總結(jié)分析問題的方法，除了常用的解析法，還有圖像法、比例法、極值法、逆向轉(zhuǎn)換法等。1.試驗：探究小車速度隨時間改變的規(guī)律目標(biāo)體系構(gòu)建明確目標(biāo)·梳理脈絡(luò)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1．鞏固打點計時器的運用、紙帶數(shù)據(jù)處理和測量瞬時速度的方法。2．體驗如何從試驗探討中獲得數(shù)據(jù)，學(xué)會利用圖像處理試驗數(shù)據(jù)。3．能依據(jù)“v－t”圖像描述小車的運動規(guī)律?！舅季S脈絡(luò)】課前預(yù)習(xí)反饋教材梳理·落實新知學(xué)問點1試驗思路1．試驗?zāi)康奶接懶≤囁俣入S時間改變的規(guī)律，測量小車在不同時刻的瞬時速度。2．試驗器材__打點計時器__、一端附有定滑輪的長鋁板、__小車__、紙帶、細(xì)繩、槽碼、__刻度尺_(dá)_、導(dǎo)線、溝通電源。3．試驗思路如圖所示，把一端帶有__滑輪__的長鋁板平放在試驗桌上，鋁板上放一個可以左右移動的__小車__，小車一端連接穿過打點計時器的__紙帶__，另一端連接繞過滑輪系有__槽碼__的細(xì)繩。小車在槽碼的牽引下運動，通過探討紙帶上的信息，就可以知道小車運動的速度是怎樣隨時間改變的。學(xué)問點2進(jìn)行試驗1．依據(jù)圖固定好試驗器材，并連接好電路。2．把小車停在__靠近__打點計時器的位置。3．啟動計時器，然后__放開__小車，讓它拖著紙帶運動。打點計時器在__紙帶__上打下一行小點。4．__關(guān)閉__電源，取下紙帶。5．增減所掛的槽碼(或在小車上放置重物)，更換紙帶，再做兩次試驗。學(xué)問點3數(shù)據(jù)分析處理1．瞬時速度的計算：各計數(shù)點的瞬時速度可用以該點為中間時刻的一段時間內(nèi)的__平均速度__來代替：vn＝eq\f(xn＋xn＋1,2T)。2．依據(jù)v－t圖像推斷運動性質(zhì)：用描點法可作出小車的v－t圖像，依據(jù)圖像的形態(tài)可推斷小車的運動性質(zhì)。3．加速度的計算：利用v－t圖像的__斜率__求出小車的加速度。預(yù)習(xí)自測『判一判』(1)長鋁板肯定要水平放置，不能一端高一端低。(×)(2)紙帶上可以每隔隨意相同數(shù)量的點選取一個計數(shù)點。(√)(3)運用刻度尺測量長度時，要進(jìn)行估讀。(√)(4)作v－t圖像時，所描曲線必需經(jīng)過每一個點。(×)(5)在處理數(shù)據(jù)時，常用公式法和圖像法。(√)『選一選』(多選)關(guān)于用打點計時器探究小車速度隨時間改變規(guī)律的試驗，下列說法正確的是(BC)A．打點計時器應(yīng)固定在長鋁板上，且靠近滑輪一端B．起先試驗時小車應(yīng)靠近打點計時器一端C．應(yīng)先接通電源，待打點穩(wěn)定后再釋放小車D．牽引小車的槽碼個數(shù)越多越好解析：A錯，B對：打點計時器與滑輪間的距離要盡可能大，小車盡可能靠近打點計時器，都是為了使小車運動的距離較大，打出較多的點，充分利用紙帶。C對：若先釋放小車再接通電源，只能在紙帶的后面部分打點。D錯：槽碼個數(shù)應(yīng)適當(dāng)，槽碼個數(shù)少，打的點很密；槽碼個數(shù)多，打的點少，都會帶來試驗誤差?！合胍幌搿荒惩瑢W(xué)用以下方法繪制并得到小車的v－t圖像如圖所示。(1)先把紙帶每隔0.1s剪斷，得到若干短紙條。(2)再把這些紙條并排貼在一張紙上，使這些紙條的下端對齊，作為時間軸，標(biāo)出時間。(3)最終將紙條上端中心連起來，于是得到如圖所示的v－t圖像。這樣做有道理嗎？為什么？答案：有道理。剪下的紙條長度表示0.1s內(nèi)位移的大小，可近似認(rèn)為速度v＝eq\f(Δx,0.1s)，紙條長度可認(rèn)為表示速度，故這樣做是有道理的。課內(nèi)互動探究細(xì)研深究·破疑解難探究試驗操作的留意事項留意事項1．起先釋放小車時，應(yīng)使小車靠近打點計時器。2．先接通電源，計時器工作后，再放開小車，當(dāng)小車停止運動時剛好斷開電源。3．要防止槽碼落地和小車跟滑輪相撞，當(dāng)小車到達(dá)滑輪前剛好用手按住它。4．牽引小車的槽碼個數(shù)要適當(dāng)，以免加速度過大而使紙帶上的點太少，或者加速度太小，而使各段位移無多大差別，從而使誤差增大，加速度的大小以能在50cm長的紙帶上清晰地取得六七個計數(shù)點為宜。5．要區(qū)分計時器打出的點與人為選取的計數(shù)點，一般在紙帶上每隔四個點取一個計數(shù)點，即時間間隔為T＝0.02×5s＝0.1s。6．不要分段測量各段位移，應(yīng)盡可能地一次測量完畢(可先統(tǒng)一量出各計數(shù)點到計數(shù)起點O之間的距離)。讀數(shù)時應(yīng)估讀到毫米的下一位。7．描點時最好用坐標(biāo)紙，在縱、橫軸上選取合適的單位，用細(xì)鉛筆仔細(xì)描點。┃┃典例剖析__■典題1在探究小車速度隨時間改變的規(guī)律試驗中，某同學(xué)操作中有以下試驗步驟，其中有錯誤或遺漏的步驟。(遺漏步驟可編上序號G、H、…)A．拉住紙帶，將小車移至靠近打點計時器處先放開紙帶，再接通電源；B．將打點計時器固定在平板上，并接好電路；C．把一條細(xì)繩拴在小車上，細(xì)繩跨過定滑輪，下面吊著適當(dāng)重的槽碼；D．取下紙帶；E．將平板一端抬高，輕推小車，使小車能在平板上平穩(wěn)地滑行；F．將紙帶固定在小車尾部，并穿過打點計時器的限位孔。(1)所列步驟中有錯誤的是：__A中應(yīng)先通電，再放紙帶；D中取下紙帶前應(yīng)先斷開電源；E中操作時應(yīng)不掛槽碼__。(2)遺漏的步驟：__G：換上新紙帶，重復(fù)試驗三次__。(3)將以上步驟完善后寫出合理的步驟依次：__BFECADG__。思路引導(dǎo)：(1)牢記試驗操作的步驟；(2)知道操作過程的留意事項。解析：(1)步驟A中應(yīng)先通電，再放紙帶，依次不能顛倒；D中取下紙帶前先斷開電源；E中操作時應(yīng)不掛槽碼。(2)遺漏的步驟G：換上新紙帶，重復(fù)試驗三次。(3)步驟完善后，合理的試驗步驟依次為：BFECADG。┃┃對點訓(xùn)練__■1．某同學(xué)用打點計時器做探討變速運動的試驗。他按下圖所示安裝好了試驗器材，接好了線，打算打開電源開關(guān)進(jìn)行試驗。在他所組裝的器材中，有三處錯誤，請你指出：(1)__電壓不應(yīng)選2V，應(yīng)選4V－6V__；(2)__不應(yīng)接直流輸出，應(yīng)接溝通輸出__；(3)__小車不應(yīng)靠在滑輪處，應(yīng)靠近打點計時器處__。解析：由圖可知，打點計時器所選電源種類錯誤，應(yīng)選4～6V的溝通電源；電壓選擇2V偏低，不能正常工作，所以要選4V～6V電壓；應(yīng)接溝通輸出，不能接直流輸出。同時為了使紙帶充分利用，應(yīng)當(dāng)使小車靠近打點計時器，而不是靠近滑輪。探究試驗數(shù)據(jù)處理的方法1．紙帶的選取和處理(1)多條紙帶中選取一條點跡清晰且點跡排成直線的紙帶進(jìn)行處理。(2)舍掉開頭一段過于密集的點，找一個適當(dāng)?shù)狞c作計時起點，為了削減測量誤差和便于計算，每隔4個“計時點”選取一個“計數(shù)點”進(jìn)行測時，相鄰計數(shù)點的時間間隔為0.1秒。(3)測量距離時從選取的計時起點到各個計數(shù)點的距離。2．?dāng)?shù)據(jù)處理(1)表格法①從幾條紙帶中選擇一條比較志向的紙帶，舍掉起先一些比較密集的點，在后面便于測量的地方找一個起先點，作為計數(shù)始點，以后依次每五個點取一個計數(shù)點，并標(biāo)明0、1、2、3、4…，測量各計數(shù)點到0點的距離x，并記錄填入表中。位置編號012345時間t/sx/mv/(m·s－1)②分別計算出與所求點相鄰的兩計數(shù)點之間的距離Δx1、Δx2、Δx3…③利用一段時間內(nèi)的平均速度等于這段時間中間時刻的瞬時速度求得各計數(shù)點1、2、3、4、5的瞬時速度，填入上面的表格中。④依據(jù)表格的數(shù)據(jù)，分析速度隨時間怎么改變。(2)圖像法①在坐標(biāo)紙上建立直角坐標(biāo)系，橫軸表示時間，縱軸表示速度，并依據(jù)表格中的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中描點。②畫一條直線，讓這條直線通過盡可能多的點，不在線上的點勻稱分布在直線的兩側(cè)，偏差比較大的點忽視不計，如圖所示。③視察所得到的直線，分析物體的速度隨時間的改變規(guī)律。④據(jù)所畫v－t圖像求出小車運動的加速度a＝eq\f(Δv,Δt)。3．誤差分析(1)木板的粗糙程度不同，摩擦不勻稱。(2)依據(jù)紙帶測量的位移有誤差，從而計算出的瞬時速度有誤差。(3)作v－t圖像時單位選擇不合適或人為作圖不精確帶來誤差。┃┃典例剖析__■典題2如圖所示，是某同學(xué)在“探究小車速度隨時間改變的規(guī)律”試驗中，用打點計時器得到的表示小車運動過程中的一條清晰紙帶，打點計時器打點的時間間隔T＝0.02s，將紙帶上每隔四個點(圖上沒畫出)按打點依次依次標(biāo)為A、B、C……，其中x1＝7.05cm、x2＝7.68cm、x3＝8.33cm、x4＝8.95cm、x5＝9.61cm、x6＝10.26cm。(1)下表列出了打點計時器打下B、C、E、F時小車的瞬時速度，請在表中填入打點計時器打下D點時小車的瞬時速度。位置BCDEF速度/(m·s－1)0.7370.801__0.864__0.9280.994(2)以A點為計時起點，在坐標(biāo)圖中畫出小車的速度—時間關(guān)系圖線。(3)依據(jù)你畫出的小車的速度—時間關(guān)系圖線計算出的小車的加速度a＝__0.64__m/s2，方向是__A→B__(填A(yù)→B，或B→A)思路引導(dǎo)：(1)由v＝eq\f(xn＋xn＋1,2T)求瞬時速度；(2)描點作圖；(3)依據(jù)“v－t”圖線斜率求加速度。解析：(1)打下D點時小車的瞬時速度為：vD＝eq\f(x3＋x4,2T)＝eq\f(8.33＋8.95×10－2m,2×0.1s)＝0.864m/s(2)小車的速度－時間關(guān)系圖線如圖所示。(3)在“v－t”圖像中，圖線的斜率表示加速度的大小，則a＝eq\f(Δv,Δt)＝(0.64±0.01)m/s2加速度的方向與速度的方向一樣，即由A→B。┃┃對點訓(xùn)練__■2．某同學(xué)在玩具賽車的賽車場看賽車競賽時，用相機(jī)連拍功能對經(jīng)過的某玩具賽車進(jìn)行了連拍，然后他把連拍后的照片對應(yīng)賽道位置排列好，排列好的位置關(guān)系如圖所示。已知該照相機(jī)的連拍頻率是每秒10張，照片與實物的比例為1︰10。為了推斷該賽車的運動狀況，該同學(xué)對整理好的照片進(jìn)行了探討。請依據(jù)圖中數(shù)據(jù)回答下列問題：(1)該照相機(jī)連拍時，其拍攝周期為T＝__0.1__s。(2)圖中從左向右玩具賽車在其次個位置的速度v2＝__2.6__m/s，賽車在第