科學測量：做直線運動物體的瞬時速度 【教材分析】本節(jié)課選自魯科版必修一第二章第四節(jié)，本節(jié)是在學習了運動的描述基礎(chǔ)上，用實驗的方法，讓學生經(jīng)歷探究過程，學會數(shù)據(jù)處理的方法。本節(jié)課的核心是引導學生研究小車在運動過程中速度隨時間變化的規(guī)律，重視知識的獲取過程，培養(yǎng)學生處理數(shù)據(jù)、總結(jié)規(guī)律的能力。【教學目標與核心素養(yǎng)】【物理觀念】能理解打點計時器的工作原理；能對得到的數(shù)據(jù)進行處理，得到物體運動的速度和加速度。【科學思維】能根據(jù)實驗目的和【實驗器材】設(shè)計實驗。【科學探究】能發(fā)現(xiàn)并提出物理問題；能分析紙帶分析小車的運動。【科學態(tài)度與責任】知道實驗器材的改進能促進人們認知的發(fā)展；知道物理實驗的探究需要實事求是。【教學重難點】教學重點：圖像法研究速度隨時間變化的規(guī)律；對運動物體的速度隨時間變化規(guī)律的探究。教學難點：對各點瞬時速度的計算；根據(jù)紙帶判斷物體的運動情況。【教學過程】【導入新課】問題：如何測量小車在運動過程中的時間和位移？生：測量時間可用計時工具：秒表、手機……測量位移可用長度測量工具：刻度尺、米尺……問題：這些測量工具在測量結(jié)果可靠性上如何？生：誤差大要想獲得精確度更高的測量數(shù)據(jù)，需要使用一種儀器“打點計時器”。引出新課。【新課講授】一、運動時間和位移的記錄在實驗中，我們可使用秒表和刻度尺直接測量物體運動的時間和位移，但當物體運動較快時，采用以上方法得到的測量值誤差較大。在中學物理實驗中，常用打點計時器來測量物體運動的時間和位移等信息。1．介紹打點計時器的工作原理。  觀察紙帶并結(jié)合打點計時器的工作原理，思考：從紙帶上可以獲得哪些運動信息？生：（1）時間：任意相鄰兩點對應間隔的時間均為0.02s（2）位移：相鄰兩點之間的間距可用刻度尺測量2．思考比較兩種打點計時器的共同點與區(qū)別相同點：打點頻率相同不同點：①打點方式不同電磁打點計時器：利用振動的振針打點；電火花計時器：利用火花放電打點②電源電壓不同電磁打點計時器：10V以下交流電；電火花計時器：220V交流電③振針打點時與紙帶接觸，會對紙帶產(chǎn)生阻礙作用；而火花放電基本不會阻礙紙帶的運動3．評價練習——迷你實驗室為了解某同學競走的加速過程，老師讓他拿著底部穿孔、滴水比較均勻的飲料瓶競走，然后通過留在地上的水印分析他的速度變化情況。請大家試一試，并說明其中的道理。此實驗模擬打點計時器，加深鞏固學生對打點計時器工作原理的理解和應用。4．頻閃照相除打點計時器外，人們還用頻閃照相技術(shù)來記錄物體運動的時間和位移。介紹頻閃照相技術(shù)的工作原理。結(jié)論：頻閃照相與打點計時器均能記錄物體運動的時間和位移信息。二、測量小車的瞬時速度1．實驗目的（1）測量小車的瞬時速度。（2）判斷沿斜面下滑的小車是否做勻變速直線運動。（3）學習使用打點計時器。2．【實驗器材】電磁打點計時器（或電火花打點計時器）、低壓交流電源（或220V交流電源）、紙帶、長木板（或軌道）、U形夾、小車、毫米刻度尺。3．實驗原理與設(shè)計實驗原理：（1）電磁打點計時器的測量原理：紙帶穿過打點計時器在物體帶動下運動時，上下振動的振針便會通過復寫紙在紙帶上留下一系列小點，相鄰兩點對應的時間為_________s。（2）可測物理量：相鄰兩點之間的距離可以用_______測量，這樣打點計時器既記錄了時間，又記錄了對應的_________。由此可獲知物體運動的_________等。①明確計時點與計數(shù)點計時點：在紙帶上，選取便于測量的某點作為計時的起點，如可以用紙帶上打出的原始點為計時點。計數(shù)點：由于紙帶被打出的原始點過于密集，測出的間距誤差較大，為便于測量和計算，我們另選間距較大且時間間隔相等的計時點來研究，這樣的點叫做計數(shù)點。思考：如何選擇計數(shù)點？舍去開頭密集的點，選取便于測量的某點作為計時的起點，記為點0，依次向后每5個點選取一個計數(shù)點，分別記為1，2，3…相鄰兩個計數(shù)點間隔的時間T=0.1s。②用刻度尺量出相鄰兩計數(shù)點間的長度，分別記為s1，s2，s3．。。思考：如何根據(jù)求紙帶上某點的瞬時速度？師：極限法。用較短時間間隔內(nèi)的平均速度可近似視為瞬時速度。思考：是不是時間間隔越短，計算出的瞬時速度就越準確？以求E點的速度為例，讓學生體會如何更精確的求某點的瞬時速度。思考：哪種方案能更準確的獲得E點的瞬時速度？請說明理由方案一：    方案二：    方案三：   通過該問題，讓學生體會到，在實際實驗中計算瞬時速度時，并不是選取的計數(shù)點的時間間隔越小，得到的瞬時速度誤差就越小。4．實驗步驟（1）把打點計時器固定在長木板一端，并將該端墊高，使長木板形成斜面。（2）將長60cm左右的紙帶一端穿過打點計時器，另一端固定于小車，盡量讓小車靠近打點計時器。（3）先打開打點計時器開關(guān)，稍后（打點穩(wěn)定后）釋放小車，待小車滑倒斜面底端時止住小車，關(guān)閉開關(guān)。取下紙帶，檢查點跡。若有問題，可換上新紙帶，調(diào)試后重復上述步驟。（4）選擇點跡清晰的紙帶，避開點跡密集部分，從距打點的開始端幾厘米處選擇一個點記為點0.在該點后面，依次標出間隔時間相等的計數(shù)點1，2，3，4，5。（5）根據(jù)打點計時器的周期，計算各計數(shù)點到點0對應的時間t，測量各計數(shù)點與下一相鄰計數(shù)點的間距s，將t和s的相應數(shù)據(jù)填入表2-2中。5．注意事項（1）固定打點計時器時，應注意使兩限位孔和小車運動軌跡在同一直線上?；啿荒苓^高，細繩應與木板平行。（2）開始釋放小車時，應使小車靠近打點計時器。（3）實驗中“接通電源”和“釋放小車”兩步應先接通電源，打點穩(wěn)定后釋放小車；打點結(jié)束后立即關(guān)閉電源，再將紙帶取下。（4）實驗時要注意保護小車及滑輪，要避免它們被碰壞或跌壞。所以，當小車到達滑輪前及時用手按住它。6．數(shù)據(jù)處理（1）列表法①根據(jù)紙帶數(shù)據(jù)計算填入表格并說明小車的速度如何變化？小車的瞬時速度隨時間增大而增大【猜想】小車是做勻加速直線運動嗎？用什么方法來驗證？    如圖所示，0、1．2……為時間間隔相等的各計數(shù)點，S1．S2．S3……為相鄰兩計數(shù)點之間的距離，若△S=S2－S1=……=C（常數(shù)），即若兩連續(xù)相等的時間間隔里的位移之差為恒量，則與紙帶相連的物體的運動為勻變速運動。思考：如何根據(jù)紙帶求小車的加速度？△S=思考：下列兩種求紙帶加速度的方法，哪種好？A．；；；；B．=====通過這兩種方法引出“逐差法”求加速度，并體會其較一般方法的優(yōu)點-----提高了實驗數(shù)據(jù)的利用率，減小了偶然誤差。（2）圖像法      1．選擇表格數(shù)據(jù)選擇合適標度建立坐標系（讓圖象盡量分布在坐標系平面的大部分范圍內(nèi)）2．描點3．連線擬合。用直線擬合，讓盡可能多的點處在直線上，不在直線上的點應對稱地分布在直線兩側(cè)。              問題1．圖像具有什么特點？一條傾斜的直線。問題2．小車的運動特點？速度隨時間均勻變化，小車做勻加速直線運動。問題3．如何根據(jù)圖像求小車的加速度？7．誤差分析誤差產(chǎn)生原因減小方法偶然誤差①紙帶上計數(shù)點間隔距離的測量②v-t圖線作出的并非一條直線①多次測量求平均值②大多數(shù)點在線上，不在線上的點盡可能分布在線兩側(cè)系統(tǒng)誤差①小車、紙帶運動過程中有摩擦②電源的不穩(wěn)定性①使用電火花打點計時器②使用穩(wěn)壓電源【思考·討論】（1）實驗結(jié)束后，如何選取紙帶？（2）如何根據(jù)紙帶判斷物體是勻速運動，還是勻變速直線運動？三、課堂檢測1．本實驗中，關(guān)于計數(shù)點間時間間隔的下列說法中正確的有（  ）A．每隔四個點取一個計數(shù)點，則計數(shù)點問的時間間隔為0.10秒B．每隔四個點取一個計數(shù)點，則計數(shù)點間的時間間隔是0.08秒C．每隔五個點取一個計數(shù)點，則計數(shù)點問的時間間隔為0.08秒D．每隔五個點取一個計數(shù)點，則計數(shù)點間的時間間隔為0.10秒2．在用打點計時器（電源頻率為50Hz）研究物體做初速度為零的直線運動的某次實驗中，紙帶的記錄如圖所示，圖中前幾個點模糊，因此從A點開始每5個點取一個計數(shù)點，求AE段與BD段的平均速度。3．如圖甲所示，桌面水平，用手輕推一下小車，使小車做勻減速運動。小車運動過程中，如圖乙記錄了桌面上連續(xù)6個水滴的位置。（已知滴水計時器每30s內(nèi)共滴下46個小水滴）設(shè)計實驗方案，探究小車做什么運動，A點的速度是多大，加速度多大。?????????????

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第4節(jié) 科學測量:做直線運動物體的瞬時速度

版本： 魯科版 (2019)

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