2017沪科版高中物理必修一第1章《实验 利用打点计时器测量匀变速直线运动的加速度》word学案 10页

学案5　实验：利用打点计时器测量匀变速直线运动的加速度[学习目标定位]　1.了解电磁打点计时器、电火花计时器的构造及工作原理.2.学会使用打点计时器.3.掌握测瞬时速度的方法，会用打出的纸带求瞬时速度.4.能根据纸带求匀变速直线运动的加速度．一、实验器材1．器材：打点计时器、交流电源、纸带、一端附有滑轮的长木板、小车、细绳、钩码、刻度尺、坐标纸．2．了解打点计时器(1)电磁打点计时器如图1所示，是一种使用低压、交流电源的计时仪器，工作电压为4～6V.图1(2)当电源频率是50Hz时，电磁打点计时器每隔0.02s打一次点．二、实验原理1．打点计时器打出的纸带能记录运动物体在不同时刻的位置．2．根据纸带计算某时刻的瞬时速度根据＝可求任意两点间的平均速度，把这个平均速度值看成这段时间中间时刻的瞬时速度．(注：学习第2章后，就会知道，匀变速直线运动中，某段时间内的平均速度等于这段时间中间时刻的瞬时速度)．3．加速度的计算(1)根据a＝计算出物体的加速度．(2)由v－t图像，利用图线的斜率求出物体的加速度．一、实验步骤\n1．如图2所示，把一端附有滑轮的长木板平放在实验桌上，并使滑轮伸出桌面，打点计时器固定在长木板没有滑轮的一端，连接好电路．图22．纸带穿过限位孔，把复写纸套在定位轴上，并且压在纸带上面，把打点计时器的两个接线柱接到4V～6V的低压交流电源上．3．把一条细绳拴在小车上，使细绳跨过滑轮，下面挂上适当的钩码，放手后，看小车能否在木板上平稳地加速滑行，然后把纸带穿过打点计时器的限位孔，并把纸带的另一端固定在小车的后面．4．把小车停在靠近打点计时器处，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，换上新纸带，重复实验三次．二、数据处理1．挑选纸带并测量在三条纸带中选择一条点迹最清晰的．为了便于测量，舍掉开头一些过于密集的点迹，找一个适当的点当作计时起点(0点)，每5个点(相隔0.1s)取一个计数点进行测量，如图3所示．(相邻两点间还有4个点未画出)图32．瞬时速度的计算和记录(1)计算方法：某段时间的平均速度等于这段时间中间时刻的瞬时速度，即vn＝，例如图3中计数点4的速度v4＝，其中T＝0.1s.(2)设计表格并记录相关数据位置01234567时刻t/s00.10.20.30.40.50.60.7v/(m·s－1)3.加速度的计算图4(1)根据a＝，求解加速度，可以多求几次，再求a的平均值．\n(2)作出小车运动的v－t图像，利用斜率求出小车的加速度．如图4所示，小车的加速度a＝.三、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，舍弃开头点迹密集部分，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．一般在纸带上每隔4个点取一个计数点，即时间间隔为T＝0.02×5s＝0.1s.5．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坐标平面中央．6．利用描出的点作v－t图像时，不要将相邻的点依次相连成折线，而应使大多数点在直线(或曲线)上，不在线上的点均匀分布在直线(或曲线)两侧，个别离线较远的点舍去．例1　在“利用打点计时器测量匀变速直线运动的加速度”实验中，某同学进行了以下实验操作步骤，试找出其中的错误和遗漏的步骤(遗漏步骤可编上序号G…)．A．拉住纸带，将小车移到靠近打点计时器的一端后，放开纸带，再接通电源B．将打点计时器固定在长木板无滑轮一端，并接好电路C．把一条细绳拴在小车上，细绳跨过定滑轮，下面吊着适当的钩码D．取下纸带，再断开电源E．将纸带固定在小车尾部，并穿过打点计时器的限位孔F．从所打的纸带中选取理想的纸带进行测量分析错误和遗漏：①________________________________________________________________________；②________________________________________________________________________；③G.________________________________________________________________________；正确的步骤顺序为________________________．答案　①A中应先接通电源，再放开纸带　②D中应先断开电源，再取下纸带　③换上新纸带，重复实验两次　BECADGF例2　在用打点计时器测量匀变速直线运动的加速度的实验中，图5甲是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，相邻计数点间还有四个点未画出．(电源频率为50Hz)\n图5(1)根据运动学有关公式可求得vB＝1.38m/s，vC＝________m/s，vD＝3.90m/s.(2)利用求得的数值在图乙所示坐标纸上作出小车的v—t图线(从打A点时开始计时)．利用纸带上的数据求出小车运动的加速度a＝________m/s2.(3)将图线延长与纵轴相交，交点的纵坐标是0.12m/s，此交点的物理意义是：____________________________.解析　(1)打C点时对应的速度为vC＝＝cm/s＝264cm/s＝2.64m/s.(2)用描点法作出小车的运动图像如图所示．由图知小车运动的加速度a＝＝＝12.6m/s2.(3)此交点表示从A点开始计时时，小车的速度为0.12m/s.答案　(1)2.64　(2)12.6(3)从A点开始计时时，小车的速度为0.12m/s1.如图6所示是用电磁打点计时器测量匀加速直线运动的加速度时得到的一条纸带，测量出AB＝1.2cm，AC＝3.6cm，AD＝7.2cm，计数点A、B、C、D中，每相邻两个计数点之间有四个点未画出，以下说法正确的是(　　)\n图6A．电磁打点计时器是只能记录时间而不能记录位移的仪器B．若电源频率f＝50Hz，则每相邻的两个计数点之间的时间间隔为0.1sC．打B点时运动物体的速度vB＝0.20m/sD．本实验也可以采用电火花计时器答案　BD解析　电磁打点计时器既可以记录时间，又可以记录位移，选项A错误；电磁打点计时器打点的周期为0.02s，相邻两个计数点间有4个点未画出，即两个计数点间的时间间隔为0.1s，选项B正确；vB＝＝＝m/s＝0.18m/s，选项C错误；电磁打点计时器和电火花计时器都可以用，选项D正确．2．在“用打点计时器测量匀变速直线运动的加速度”的实验中，打点计时器接在50Hz的低压交变电源上．某同学在打出的纸带上每5点取一个计数点，共取了A、B、C、D、E、F六个计数点(每相邻两个计数点间的四个点未画出)，如图7所示．从每一个计数点处将纸带剪开分成五段(分别为a、b、c、d、e段)，将这五段纸带由短到长紧靠但不重叠地粘在xOy坐标系中，如图8所示．图7图8(1)请你在xOy坐标系中用最简洁的方法作出能表示v－t关系的图线(在图8中作答)，并指出哪个轴相当于v轴？________________________________________________________________________.(2)从第一个计数点开始计时，为了求出0.15s时刻的瞬时速度，需要测出哪一段纸带的长度？________________________________________________________________________.(3)若测得a段纸带的长度为2.0cm，e段纸带的长度为10.0cm，则可求出加速度的大小为______m/s2.答案　(1)v－t图线见解析图　y轴相当于v轴　(2)b段　(3)2.0\n解析　(1)以纸带宽度为时间单位0.1s．x轴相当于t轴，y轴相当于v轴，每段纸带上端中点的纵坐标相当于这段时间中间时刻的瞬时速度．把纸带上端中点连起来就得到v－t图线．(2)用b纸带的长度除以0.1s就是完成b纸带这段长度的平均速度，也近似等于0.15s时刻的瞬时速度，故需测出b段纸带的长度．(3)0.05s时的瞬时速度v1＝＝20.0cm/s＝0.20m/s0．45s时瞬时速度v2＝＝100cm/s＝1.00m/sa＝＝m/s2＝2.0m/s21.在做“用打点计时器测量匀变速直线运动的加速度”实验时，根据打点计时器打出的纸带，我们可以不利用公式计算就能直接得到的物理量是(　　)A．时间间隔　　　　　　B．瞬时速度C．加速度D．某段时间内的位移答案　AD解析　打点计时器是每隔0.02s打下一个点，所以数点就可以知道时间间隔，故A正确．瞬时速度的求解需要运用匀变速直线运动的公式，故B错误．加速度的求解需要运用公式或利用图像求斜率，故C错误．某段时间内的位移可以利用刻度尺直接测得，故D正确，故选A、D.2．关于“用打点计时器测量匀变速直线运动的加速度”的实验，下列说法中正确的是(　　)A．打点计时器应固定在长木板上，且靠近滑轮一端B．开始实验时小车应靠近打点计时器一端C．应先接通电源，待打点稳定后再释放小车D．牵引小车的钩码个数越多越好答案　BC\n解析　打点计时器应固定在长木板上没有滑轮的一端，选项A错误；小车开始时靠近打点计时器是为了使小车的运动距离较大，选项B正确；若先释放小车后接通电源只能在纸带的后面部分打点，选项C正确；钩码个数太少，打点密集，钩码个数太多，打点太少，都会带来实验误差，选项D错误．3．下列关于“用打点计时器测量匀变速直线运动的加速度”实验中所选计数点的说法中，不正确的是(　　)A．用计数点进行测量计算既方便又可减小误差B．相邻计数点间的时间间隔应是相等的C．相邻计数点间的距离应是相等的D．计数点是从打点计时器打出的实际点中选出来的，相邻计数点间点的个数相等答案　C4．如图1甲、乙所示为同一打点计时器打出的两条纸带，由纸带可知(　　)图1A．在打下计数点“0”至“5”的过程中，纸带甲的平均速度比乙的大B．在打下计数点“0”至“5”的过程中，纸带甲的平均速度比乙的小C．纸带甲的加速度比乙的大D．纸带甲的加速度比乙的小答案　BD解析　在打下计数点“0”至“5”的过程中，两纸带所用时间相同，但甲纸带位移小于乙纸带位移，故甲<乙，选项A错，B对；相邻计数点间所用时间相等，可知甲的速度不变，乙的速度变大，故a甲