高考实验一研究匀变速直线运动有答案 8页

实验一　研究匀变速直线运动 ‎1．实验目的 ‎(1)练习正确使用打点计时器．‎ ‎(2)会利用纸带求匀变速直线运动的瞬时速度、加速度．‎ ‎(3)会利用纸带探究小车速度随时间变化的规律，并能画出小车运动的v－t图象，根据图象求加速度．‎ ‎2．实验原理 从纸带上确定计数点和两计数点间隔的时间，量出相邻计数点间的距离，利用平均速度求出瞬时速度；计算相邻计数点距离之差，看其是否是一个常数来确定运动性质．‎ ‎3．实验器材 电火花计时器(或电磁打点计时器)、一端附有滑轮的长木板、小车、纸带、细绳、钩码、刻度尺、导线、电源、复写纸片．‎ ‎4．实验步骤 ‎(1)按照实验装置图，把打点计时器固定在长木板无滑轮的一端，接好电源．‎ ‎(2)把一细线系在小车上，细线绕过滑轮，下端挂合适的钩码，纸带穿过打点计时器，固定在小车后面．‎ ‎(3)把小车停靠在打点计时器处，接通电源，放开小车．‎ ‎(4)小车运动一段时间后，断开电源，取下纸带．‎ ‎(5)换纸带反复做三次，选择一条比较理想的纸带进行测量分析．‎ ‎1．数据处理 ‎(1)利用逐差法求平均加速度 a1＝，a2＝，a3＝，‎ ＝.‎ ‎(2)利用平均速度求瞬时速度 vn＝＝.‎ ‎(3)利用速度—时间图象求加速度 作出速度—时间图象，通过图象的斜率求物体的加速度．‎ ‎2．注意事项 ‎(1)平行：纸带、细绳要和木板平行．‎ ‎(2)两先两后：实验中应先接通电源，后让小车运动；实验完毕应先断开电源后取纸带．‎ ‎(3)防止碰撞：在到达长木板末端前应让小车停止运动，要防止钩码落地和小车与滑轮相撞．‎ ‎(4)减小误差：小车的加速度要适当大些，可以减小长度的测量误差，加速度大小以能在约50 cm的纸带上清楚地取出6～7个计数点为宜．‎ ‎(5)准确作图：在坐标纸上，纵、横轴选取合适的单位(避免所描点过密或过疏，而导致误差过大)，仔细描点连线，不能连成折线，应作一条直线．‎ ‎3．误差分析 ‎(1)使用刻度尺测计数点的距离时有误差．‎ ‎(2)作v－t图象时出现作图误差．‎ ‎(3)电源频率不稳定，造成打点的时间间隔不完全相同．‎ ‎(4)长木板粗糙程度不均匀，小车运动时加速度有变化造成误差．‎ ‎　　　　　　对实验原理和操作的考查 ‎　　研究小车匀变速直线运动的实验装置如图甲所示，其中斜面倾角θ可调．打点计时器的工作频率为50 Hz.纸带上计数点的间距如图乙所示，其中每相邻两点之间还有4个记录点未画出．‎ ‎(1)部分实验步骤如下：‎ A．测量完毕，关闭电源，取出纸带．‎ B．接通电源，待打点计时器工作稳定后放开小车．‎ C．将小车停靠在打点计时器附近，小车尾部与纸带相连．‎ D．把打点计时器固定在平板上，让纸带穿过限位孔．‎ 上述实验步骤的正确顺序是：________(用字母填写)．‎ ‎(2)图乙中标出的相邻两计数点的时间间隔T＝________s.‎ ‎(3)计数点5对应的瞬时速度大小的计算式为v5＝________．‎ ‎(4)为了充分利用记录数据，减小误差，小车加速度大小的计算式应为a＝________________________．‎ ‎[解析]　(1)按常规实验步骤，先安装再操作后整理，再根据打点计时器的使用方法可知正确步骤为D、C、B、A.‎ ‎(2)T打＝ s＝0.02 s，因为相邻两计数点间有4个记录点未画出，故计数点的时间间隔T＝5T打＝0.1 s.‎ ‎(3)由v＝＝得，v5＝.‎ ‎(4)为了充分利用数据，应采用逐差法：‎ a＝ ‎＝.‎ ‎[答案]　(1)DCBA　(2)0.1　(3) ‎(4) ‎1．某同学用如图甲所示的实验装置研究匀变速直线运动．‎ 实验步骤如下：‎ A．安装好实验器材．‎ B．让小车拖着纸带运动，打点计时器在纸带上打下一系列小点，重复几次，选出一条点迹比较清晰的纸带，从便于测量的点开始，每五个点取一个计数点，如图乙中a、b、c、d等点．‎ C．测出x1、x2、x3….‎ 结合上述实验步骤，请你继续完成下列任务：‎ ‎(1)实验中，除打点计时器(含纸带、复写纸)、小车、一端附有滑轮的长木板、细绳、钩码、导线及开关外，在下列仪器和器材中，必须使用的有________．(填选项代号)‎ A．电压合适的50 Hz交流电源 B．电压可调的直流电源 C．秒表　D．刻度尺　E．天平　F．重锤　G．弹簧测力计 ‎(2)如果小车做匀加速运动，所得纸带如图乙所示，则x1、x2、x3的关系是__________________________，已知打点计时器打点的时间间隔是t，则打c点时小车的速度大小是________．‎ 解析：(1)实验中打点计时器要使用50 Hz的低压交流电源；测量x1、x2、x3要使用刻度尺；实验中无需使用秒表、天平、重锤和弹簧测力计，故选A、D.‎ ‎(2)因小车做匀加速直线运动，所以相邻相等时间内的位移之差是恒量，故x3－x2＝x2－x1；c点是bd段的时间中点，则c点的瞬时速度等于该段的平均速度，即vc＝＝.‎ 答案：(1)A、D　(2)x3－x2＝x2－x1　 ‎2．某同学用如图甲所示装置测量重力加速度g，所用交流电频率为50 Hz.在所选纸带上取某点为0号计数点，然后每隔4个计时点取一个计数点，所有测量数据及其标记符号如图乙所示．‎ 该同学用两种方法处理数据(T为相邻两计数点的时间间隔)：‎ 方法A：由g1＝，g2＝，…，g5＝，取平均值 g＝8.667 m/s2；‎ 方法B：由g1＝，g2＝，g3＝，取平均值 ＝8.673 m/s2.‎ 从数据处理方法看，在x1、x2、x3、x4、x5、x6中，对实验结果起作用的：方法A中有________；方法B中有________．因此，选择方法________(选填“A”或“B”)更合理，这样可以减少实验的________(选填“系统”或“偶然”)误差．本实验误差的主要来源有______________________________________(试举出两条)．‎ 解析：方法A的实质：‎ ＝/5‎ ‎＝ 方法B的实质：‎ ＝/3‎ ‎＝ 故方法A中2个数据起作用，方法B中6个数据起作用．‎ 答案：x1、x6或37.5 mm、193.5 mm　x1、x2、x3、x4、x5、x6或37.5 mm、69.0 mm、100.5 mm、131.5 mm、163.0 mm、193.5 mm B　偶然　阻力(空气阻力、振针的阻力、限位孔的阻力、复写纸的阻力等)、交流电频率波动、长度测量、数据处理方法等 ‎　　　　　　对纸带问题的处理 ‎　　某同学在研究小车的运动实验中，获得一条点迹清楚的纸带，如图所示，已知打点计时器每隔0.02 s打一个点，该同学选择了A、B、C、D、E、F六个计数点，测量数据如图中所示，单位是cm.‎ ‎(1)小车做什么运动？‎ ‎(2)试计算瞬时速度vB、vC、vD、vE各多大？‎ ‎(3)计算小车的加速度多大？‎ ‎[解析]　(1)因为相邻相等时间内的位移差Δx＝BC－AB＝CD－BC＝DE－CD＝EF－DE＝常数，所以小车做匀加速直线运动．‎ ‎(2)由题图可知，相邻计数点的时间间隔 T＝2×0.02 s＝0.04 s 由求瞬时速度的方法可得：‎ vB＝＝ m/s＝0.415 m/s，‎ vC＝＝ m/s＝0.495 m/s，‎ vD＝＝ m/s＝0.575 m/s，‎ vE＝＝ m/s＝0.655 m/s.‎ ‎(3)画v－t图象，如图所示，描点、拟合得到直线，由图象可得a＝2.0 m/s2.‎ ‎[答案]　(1)匀加速直线运动　(2)0.415 m/s　0.495 m/s　0.575 m/s　0.655 m/s　(3)2.0 m/s2‎ ‎3．某同学利用如图甲所示的实验装置，探究物块在水平桌面上的运动规律．物块在重物的牵引下开始运动，重物落地后，物块再运动一段距离停在桌面上(尚未到达滑轮处)．从纸带上便于测量的点开始，每5个点取1个计数点，相邻计数点间的距离如图乙所示．打点计时器电源的频率为50 Hz.‎ ‎(1)通过分析纸带数据，可判断物块在两相邻计数点________和________之间某时刻开始减速．‎ ‎(2)计数点5对应的速度大小为________m/s，计数点6对应的速度大小为________m/s.(保留三位有效数字)‎ ‎(3)物块减速运动过程中加速度的大小为a＝________m/s2.‎ 解析：(1)从计数点1到6相邻的相等时间内的位移差Δx≈2.00 cm，‎ 在6、7计数点间的位移比5、6计数点间的位移增加了(12.28－11.01) cm＝1.27 cm＜2.00 cm，因此，开始减速的时刻在计数点6和7之间．‎ ‎(2)计数点5对应的速度大小为 v5＝＝ m/s ‎≈1.00 m/s.‎ 计数点4对应的速度大小为 v4＝＝ m/s ‎≈0.80 m/s.‎ 根据v5＝，得计数点6对应的速度大小为 v6＝2v5－v4＝(2×1.00－0.80) m/s＝1.20 m/s.‎ ‎(3)物块在计数点7到11之间做减速运动，根据Δx＝aT2得x9－x7＝2a1T2‎ x10－x8＝2a2T2‎ 故a＝＝ ‎≈－2.00 m/s2.‎ 答案：(1)6　7　(2)1.00　1.20　(3)2.00‎ ‎4．现用频闪照相方法来研究物块的变速运动．在一小物块沿斜面向下运动的过程中，用频闪相机拍摄的不同时刻物块的位置如图所示．拍摄时频闪频率是10 Hz；通过斜面上固定的刻度尺读取的5个连续影像间的距离依次为x1、x2、x3、x4.已知斜面顶端的高度h和斜面的长度s.数据如下表所示．重力加速度大小g＝9.80 m/s2.‎ 单位：cm x1‎ x2‎ x3‎ x4‎ h s ‎10.76‎ ‎15.05‎ ‎19.34‎ ‎23.65‎ ‎48.00‎ ‎80.00‎ 根据表中数据，完成下列填空：‎ ‎(1)物块的加速度a＝________(保留3位有效数字)．‎ ‎(2)因为________________________，可知斜面是粗糙的．‎ 解析：(1)根据匀变速直线运动的推论，利用逐差法，得x3－x1＝2a1T2，x4－x2＝2a2T2‎ a＝，又知T＝＝0.1 s 联立以上各式得a≈4.30 m/s2.‎ ‎(2)设斜面倾角为θ，如果斜面光滑，根据牛顿第二定律得，物块下滑的加速度a′＝gsin θ＝g＝5.88 m/s2＞a，所以斜面是粗糙的．‎ 答案：(1)4.30 m/s2　(2)a＜g＝5.88 m/s2‎ 研究匀变速直线运动 扫一扫　进入www.91daoxue.com精品微课 创新设计型实验是近几年高考考查的重点，其创新点主要体现在利用先进计时工具研究匀变速运动，例如2014年高考大纲全国卷用频闪照片方法测定加速度，2013年高考新课标全国卷用光电门和遮光片测定加速度等．虽然创设了新的情景，但是依然万变不离其宗，仍用逐差法计算加速度，平均速度法求解瞬时速度．‎ 范例　光电计时器也是一种研究物体运动情况的常用计时仪器，其结构如图甲所示，a、b分别是光电门的激光发射和接收装置，当有物体从a、b间通过时，光电计时器就可以精确地把物体从开始挡光到挡光结束的时间记录下来．现利用图乙所示的装置测量滑块和长木板间的动摩擦因数，图中MN是水平桌面，Q是长木板与桌面的接触点，1和2是固定在长木板适当位置的两个光电门，与之连接的两个光电计时器没有画出，长木板顶端P点悬有一铅锤．实验时，让滑块从长木板的顶端滑下，光电门1、2各自连接的计时器显示的挡光时间分别为1.0×10－2 s和4.0×10－3 s．用精度为0.05 mm的游标卡尺测量滑块的宽度d，其示数如图丙所示．‎ ‎(1)滑块的宽度d＝________cm.‎ ‎(2)滑块通过光电门1时的速度v1＝________m/s，滑块通过光电门2时的速度v2＝________m/s.(结果保留两位有效数字)．‎ ‎(3)由此测得的瞬时速度v1和v2只是一个近似值，它们实质上是通过光电门1和2时的________，要使瞬时速度的测量值更接近于真实值，可将________的宽度减小一些．‎ ‎[解析]　(1)d＝10 mm＋0.05 mm×2＝10.10 mm＝1.010 cm.‎ ‎(2)v1＝＝ m/s＝1.0 m/s，‎ v2＝＝ m/s＝2.5 m/s.‎ ‎(3)v1、v2实质上是滑块通过光电门1和2时的平均速度，要使瞬时速度的测量值更接近于真实值，可将滑块的宽度减小一些．‎ ‎[答案]　(1)1.010　(2)1.0　2.5　(3)平均速度　滑块 ‎[点评]　本实验用光电计时器代替打点计时器来测量速度和加速度，是对原有实验条件、实验器材的迁移和改进，不脱离教材而又不拘泥于教材，仍属于纸带问题的延伸．‎