【物理】2018届一轮复习人教版实验一　研究匀变速直线运动教案 14页

实验一　研究匀变速直线运动 一、实验目的 ‎1．练习使用打点计时器，学会用打上点的纸带研究物体的运动情况．‎ ‎2．会利用纸带求匀变速直线运动的速度、加速度．‎ ‎3．利用打点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．‎ 二、实验原理 ‎1．打点计时器 ‎(1)作用：计时仪器，交流电频率为50 Hz时，每隔0.02 s打一次点．‎ ‎(2)工作条件 ‎(3)纸带上点的意义：‎ ‎①表示和纸带相连的物体在不同时刻的位置．‎ ‎②通过研究纸带上各点之间的距离，可以判断物体的运动情况．‎ ‎③可以利用纸带上打出的点来确定计数点间的时间间隔．‎ ‎2．利用纸带判断物体是否做匀变速直线运动的方法 设x1、x2、x3、x4…为纸带上相邻两个计数点之间的距离，假如Δx＝x2－x1＝x3－x2＝x4－x3＝…＝常数，即连续相等的时间间隔内的位移之差为恒量，则与纸带相连的物体做匀变速直线运动．‎ ‎3．由纸带求物体运动速度的方法 根据匀变速直线运动某段时间中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度vn＝(xn＋xn＋1)/2T.‎ ‎4．由纸带求物体运动加速度的方法 ‎(1)逐差法：即根据x4－x1＝x5－x2＝x6－x3＝3aT2(T为相邻两计数点之间的时间间隔)，求出a1＝，a2＝，a3＝，再算出a1、a2、a3的平均值a＝＝，即为物体的加速度．‎ ‎(2)图象法：求出打各个计数点时纸带的瞬时速度，再作出v－t图象，图象的斜率即为物体做匀变速直线运动的加速度．‎ 三、实验器材 电火花计时器(或电磁打点计时器)，一端附有定滑轮的长木板、小车、纸带、细绳、钩码、刻度尺、导线、电源、复写纸片．‎ 四、实验步骤 ‎1．仪器安装 ‎(1)把附有滑轮的长木板放在实验桌上，并使滑轮伸出桌面，把打点计时器固定在长木板上没有滑轮的一端，连接好电路．‎ ‎(2)把一条细绳拴在小车上，细绳跨过定滑轮，下边挂上合适的钩码，把纸带穿过打点计时器，并把它的一端固定在小车的后面．实验装置见下图所示，放手后，看小车能否在木板上平稳地加速滑行．‎ ‎2．测量与记录 ‎(1)把小车停在靠近打点计时器处，先接通电源，后放开小车，让小车拖着纸带运动，打点计时器就在纸带上打下一系列的点，换上新纸带，重复三次．‎ ‎(2)从三条纸带中选择一条比较理想的，舍掉开头一些比较密集的点，从后边便于测量的点开始确定计数点，为了计算方便和减小误差，通常用连续打点五次的时间作为时间单位，即T＝0.1 s．正确使用毫米刻度尺测量每相邻两计数点间的距离，并填入设计的表格中．‎ ‎(3)利用某一段时间的平均速度等于这段时间中间时刻的瞬时速度求得各计数点的瞬时速度．‎ ‎(4)增减所挂钩码数，再重复实验两次．‎ 五、数据处理及实验结论 ‎1．由实验数据得出v－t图象 ‎(1)根据表格中的v、t数据，在平面直角坐标系中仔细描点，如右图所示可以看到，对于每次实验，描出的几个点都大致落在一条直线上．‎ ‎ (2)作一条直线，使同一次实验得到的各点尽量落到这条直线上，落不到直线上的点，应均匀分布在直线的两侧，这条直线就是本次实验的v－t图象，它是一条倾斜的直线．‎ ‎2. 由实验得出的v－t图象进一步得出小车运动的速度随时间变化的规律，有两条途径进行分析 ‎ (1)分析图象的特点得出：小车运动的v－t图象是一条倾斜的直线，如图所示，当时间增加相同的值Δt时，速度也会增加相同的值Δv，由此得出结论：小车的速度随时间均匀变化．‎ ‎(2)通过函数关系进一步得出：既然小车的v－t图象是一条倾斜的直线，那么v随t变化的函数关系式为v＝kt＋b，显然v与t成“线性关系”，小车的速度随时间均匀变化．‎ 六、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，防止钩码落地和小车与滑轮相撞．‎ ‎4．减小误差：小车的加速度宜适当大些，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．作出速度—时间图象，通过图象的斜率求解物体的加速度．‎ ‎6．剪下相邻计数点的纸带紧排在一起求解加速度．‎ 七、误差分析 ‎1．小车运动时摩擦不均匀，打点不稳定引起的系统误差．‎ ‎2．纸带上计数点间距测量以及作v－t图象引起的偶然误差．‎ 考点一　实验原理及操作 ‎[典例1]　在“研究匀变速直线运动”的实验中，某同学的操作中有以下实验步骤，其中错误或遗漏的步骤有 ‎________________________________________________‎ ‎________________________________________________‎ ‎________________________________________________.‎ ‎(指出错误并改正，遗漏步骤可编上序号G、H、…)‎ A．拉住纸带，将小车移至靠近打点计时器处，先放开纸带，再接通电源 B．将打点计时器固定在平板上，并接好电源 C．把一条细绳拴在小车上，细绳跨过滑轮，下面吊着适当重的钩码 D．取下纸带 E．将平板无滑轮的一端抬高，轻推小车，使小车能在平板上做匀速运动 F．将纸带固定在小车尾部，并穿过打点计时器的限位孔 将以上步骤完善后按合理顺序填写在横线上________．‎ 解析　A中应先接通电源，再放开纸带，C中应调整滑轮的高度，使细绳与平板平行，D中应先断开电源，使打点计时器停止工作再取下纸带，E属于多余步骤．应补充G，换上新纸带，重复操作两次．H，断开电源，整理好器材．正确合理的顺序应为B、F、C、A、D、G、H.‎ 答案　见解析 考点二　实验数据处理 ‎[典例2]　实验中，如图所示为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，相邻计数点间的时间间隔T＝0.1 s.‎ ‎(1)根据纸带可判定小车做____________________运动．‎ ‎(2)根据纸带计算各点瞬时速度：vD＝________ m/s，vC＝________ m/s，vB ‎＝________ m/s.在如图所示坐标中作出小车的v－t图线，并根据图线求出纸带的加速度a＝________.‎ ‎(3)将图线延长与纵轴相交，交点的速度是________ m/s，此速度的物理意义是______________________________．‎ 解析　(1)根据纸带提供的数据可知xBC－xAB＝xCD－xBC＝xDE－xCD＝12.60 cm，故小车做匀加速直线运动．‎ ‎(2)根据v＝可知 vD＝＝ m/s＝‎3.90 m/s vC＝＝ m/s＝‎2.64 m/s vB＝＝ m/s＝‎1.38 m/s 如图所示描点连线得v－t图线，由图线斜率知纸带的加速度a＝12.60 m/s2.‎ ‎(3)由图知交点的速度约为‎0.12 m/s，表示小车经过A点的速度．‎ 答案　(1)匀加速直线(或匀加速)　(2)3.90　2.64　1.38　12.60 m/s2　见解析图　(3)0.12　表示小车经过A点的速度 考点三　实验改进　拓展创新 高考实验题一般源于教材而不拘泥于教材，即所谓情境新而知识旧．因此做实验题应注重迁移创新能力的培养，用教材中实验的原理、方法和技巧处理新问题．‎ ‎1．实验器材的改进 ‎　　　　　　↓　　　　　　　　↓‎ 由遮光片的宽度d和遮光片 挡光时间Δt求速度v＝　　　　由纸带求速度 ‎2．获得加速度方法的改进 长木板倾斜靠重力获得加速度，如图甲、乙所示靠重物的拉力获得加速度．‎ ‎[典例3]　某同学用图(a)所示的实验装置测量物块与斜面之间的动摩擦因数．已知打点计时器所用电源的频率为50 Hz，物块下滑过程中所得到的纸带的一部分如图(b)所示，图中标出了五个连续点之间的距离．‎ ‎(1)物块下滑时的加速度a＝________ m/s2，打C点时物块的速度v＝________ m/s；‎ ‎(2)已知重力加速度大小为g，为求出动摩擦因数，还必须测量的物理量是________(填正确答案标号)．‎ A．物块的质量 B．斜面的高度 C．斜面的倾角 解析　(1)打点计时器的打点周期T＝0.02 s，根据纸带数据可知，加速度a＝＝3.25 m/s2；打C点时物块的速度vC＝＝1.79 m/s.‎ ‎(2)由牛顿第二定律得加速度a＝gsin θ－μcos θ，所以要求出动摩擦因数，还必须测量的物理量是斜面的倾角．‎ 答案　(1)3.25　1.79　(2)C ‎1．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 ‎2．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个记时点未画出．‎ ‎(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)实验步骤的正确顺序是D、C、B、A.‎ ‎(2)电源的工作频率f＝50 Hz，所以打点周期T0＝＝ s＝0.02 s，相邻两计数点的时间间隔T＝5T0＝0.1 s.‎ ‎(3)计数点5对应的瞬时速度等于计数点4、6间的平均速度，故v5＝.‎ ‎(4)为了减小误差，计算小车的加速度利用逐差法，即 x4－x1＝‎3a1T2，x5－x2＝‎3a2T2，x6－x3＝‎3a3T2，‎ a＝＝.‎ 答案：(1)DCBA　(2)0.1　(3) ‎(4) 高效演练　跟踪检测 ‎1．如图所示是某同学在做匀变速直线运动实验中获得的一条纸带．‎ ‎(1)已知打点计时器电源频率为50 Hz，则纸带上打相邻两点的时间间隔为________．‎ ‎(2)A、B、C、D是纸带上4个计数点，每两个相邻计数点间有4个点没有画出．从图中读出A、B两点间距s＝________；C点对应的速度是________．(计算结果保留3位有效数字)‎ 解析：(1)打点计时器电源频率50 Hz，故打相邻两点的时间间隔T0＝＝0.02 s.‎ ‎(2)相邻两计数点间的时间间隔T＝0.02×5 s＝0.1 s，由图读出s＝‎0.70 cm.C点对应的速度vC＝＝ cm/s＝‎0.100 m/s.‎ 答案：(1)0.02 s　(2)0.68～0.72 cm　0.100 m/s ‎2．如图所示是“研究匀变速直线运动”实验中获得的一条纸带，O、A、B、C、D和E为纸带上6个计数点．加速度大小用a表示．‎ ‎(1)OD间的距离为________cm.‎ ‎(2)下图是根据实验数据绘出的s－t2图线(s为各计数点至同一起点的距离)，斜率表示____________，其大小为________ m/s2(保留3位有效数字)‎ 解析：物体做的是匀变速直线运动，物体从某一点开始运动的位移s＝v0t＋at2，s－t2图线是一条过原点的倾斜直线，因此v0＝0，得s＝at2，所以s－t2图线的斜率为a，通过图线可求得斜率为0.460.‎ 答案：(1)1.18～1.22　(2)a　0.458～0.464‎ ‎3．图甲是某同学探究小车的速度和加速度的实验装置，他将光电门固定在水平轨道上的B点，A、B两点间的距离为‎12.50 cm.用重物通过细线拉小车，让小车做直线运动．‎ ‎(1)若用游标卡尽测出遮光条的宽度d，如图乙所示，则d＝________ cm.‎ ‎(2)实验时将小车从图甲中位置A处由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间Δt＝2.28×10－2 s，则小车经过光电门时的速度为________ m/s，小车的加速度为________ m/s2.(保留2位有效数字)‎ 解析：(1)主尺上的读数为1.1 cm，游标尺上第8条刻线与主尺刻线对齐，故游标尺上读数为8×0.05 mm＝0.40 mm＝0.040 cm，所以两部分之和为1.140 cm.‎ ‎(2)小车通过光电门时的速度可近似认为不变，则v＝＝ m/s＝‎ ‎0.50 m‎/s，由v2＝2ax得，a＝＝ m/s2＝‎1.0 m/s2.‎ 答案：(1)1.140　(2)0.50　1.0‎ ‎4．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)(多选)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)AD　(2)x3－x2＝x2－x1　 ‎5．在做“研究匀变速直线运动”的实验时，某同学得到一条用电火花计时器打下的纸带如图甲所示，并在其上取了A、B、C、D、E、F、G 7个计数点，每相邻两个计数点间还有4个点图中没有画出，电火花计时器接220 V、50 Hz交流电源．他经过测量并计算得到电火花计时器在打B、C、D、E、F各点时物体的瞬时速度如下表：‎ 对应点 B C D E F 速度(m·s－1)‎ ‎0.141‎ ‎0.185‎ ‎0.220‎ ‎0.254‎ ‎0.301‎ ‎(1)设电火花计时器的周期为T，计算vF的公式为vF＝________；‎ ‎(2)根据(1)中得到的数据，以A点对应的时刻为t＝0，试在图乙所示坐标系中合理地选择标度，作出v－t图象．‎ ‎(3)利用该图象求得物体的加速度a＝________ m/s2；(结果保留2位有效数字)‎ ‎(4)如果当时电网中交变电流的电压变成210 V，而做实验的同学并不知道，那么加速度的测量值与实际值相比________．(选填“偏大”“偏小”或“不变”)‎ 解析：(1)匀变速直线运动中时间中点的瞬时速度等于该过程中的平均速度，电火花计时器的周期为T，所以从E点到G点时间为10T，有vF＝.‎ ‎(2)根据表中数据，利用描点法作出图象如图所示：‎ ‎(3)图象斜率大小等于加速度大小，故a＝＝‎0.40 m/s2.‎ ‎(4)打点计时器的打点频率与交流电源的频率相同，电源电压降低不改变打点计时器打点周期，所以对测量结果没有影响．‎ 答案：(1)　(2)图见解析　(3)0.40　(4)不变 ‎6.‎ 利用如图所示的装置可测量滑块在斜面上运动的加速度．一斜面上安装有两个光电门，其中光电门乙固定在斜面上靠近底端处，光电门甲的位置可移动．当一带有遮光片的滑块自斜面上滑下时，与两个光电门都相连的计时器可以显示出遮光片从光电门甲至乙所用的时间t.改变光电门甲的位置进行多次测量，每次都使滑块从同一点由静止开始下滑，并用米尺测量甲、乙之间的距离s，记下相应的t值；所得数据如下表所示.‎ s/m ‎0.500‎ ‎0.600‎ ‎0.700‎ ‎0.800‎ ‎0.900‎ ‎0.950‎ t/ms ‎292.9‎ ‎371.5‎ ‎452.3‎ ‎552.8‎ ‎673.8‎ ‎776.4‎ /(m·s－1)‎ ‎1.71‎ ‎1.62‎ ‎1.55‎ ‎1.45‎ ‎1.34‎ ‎1.22‎ 完成下列填空和作图：‎ ‎(1)若滑块所受摩擦力为一常量，滑块加速度的大小a、滑块经过光电门乙时的瞬时速度vt、测量值s和t四个物理量之间所满足的关系式是________________________________________________；‎ ‎(2)根据表中给出的数据，在图给出的坐标纸上画出－t图线；‎ ‎(3)由所画出的－t图线，得出滑块加速度的大小为a＝________m/s2.(保留两位有效数字)‎ 解析　(1)滑块沿斜面向下做匀加速运动，其逆过程为初速度为vt、加速度为a的沿斜面向上的匀减速运动，由位移公式有s＝vtt－at2，也可表示为＝－at＋vt.‎ ‎(2)根据表中数据描点连线可得－t图线，如图所示．‎ ‎(3)由关系式＝－at＋vt可得，图线的斜率k＝－，由图线求出k＝－1.0，故a＝－2k＝‎2.0 m/s2.‎ 答案　(1)＝－at＋vt ‎ (2)见解析　(3)2.0(在1.8～2.2范围内都可)‎