【物理】2020届一轮复习人教版实验：打点计时器的使用与研究匀变速直线运动学案 17页

‎2020届一轮复习人教版 实验：打点计时器的使用与研究匀变速直线运动 学案 ‎1．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．‎ ‎2．实验步骤 ‎ ‎（1）按照实验原理图所示实验装置，把打点计时器固定在长木板无滑轮的一端，接好电源；‎ ‎（2）把一细绳系在小车上，细绳绕过滑轮，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．‎ ‎3．数据处理 ‎（1）目的 ‎ 通过纸带求解运动的加速度和瞬时速度，确定物体的运动性质等． ‎ ‎2）处理的方法 A.分析物体的运动性质——测量相邻计数点间的距离，计算相邻计数点距离之差，看其是否为常数，从而确定物体的运动性质．‎ B. 加速度的计算：一般有两种方法 方法一、利用“逐差法”求加速度 由于物体做匀变速运动，所以满足在连续相等的时间间隔内位移差相等，即Δx=aT2，可得a=。但利用一个Δx求得的加速度偶然误差太大，为了减小实验中的偶然误差，分析纸带时，纸带上的各段位移最好都用上，方法如下：‎ ‎（a）如图所示，若为偶数段，设为6段，则，，，然后取平均值，即或由直接求得；‎ ‎（b）若为奇数段，则中间段往往不用，如5段，则不用第三段，则，‎ ‎，然后取平均值，即；或去掉一段变为偶数段由；‎ 方法二、先求出第n点时纸带的瞬时速度（一般要5点以上），然后作出v–t图象，用v–t图象的斜率求物体运动的加速度。‎ 1. 注意事项：‎ ‎（1）平行：纸带和细绳要和木板平行。‎ ‎（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）纸带选取：选择一条点迹清晰的纸带，舍弃点密集部分，适当选取计数点。‎ ‎（6）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，让各点尽量落到这条直线上，落不到直线上的各点应均匀分布在直线的两侧 ‎2. 依据纸带判断物体是否做匀变速运动的方法 ‎（1）x1、x2、x3……xn是相邻两计数点间的距离．‎ ‎（2）Δx是两个连续相等的时间里的位移差：Δx1＝x2－x1，Δx2＝x3－x2….‎ ‎（3）T是相邻两计数点间的时间间隔：T＝0.02n（打点计时器的频率为50 Hz，n为两计数点间计时点的间隔数）．‎ ‎（4）Δx＝aT2，因为T是恒量，做匀变速直线运动的小车的加速度a也为恒量，所以Δx必然是个恒量．这表明：只要小车做匀加速直线运动，它在任意两个连续相等的时间里的位移之差就一定相等.‎ ‎1．在学生实验“用打点计时器测速度”和“探究小车速度随时间变化的规律”中，都使用了电火花计时器，并打出纸带进行有关数据处理，已知所用交流电的频率是50Hz． ‎ ‎（1）关于打点计时器的使用，下列说法中正确的是 ______ （可能有一个或多个正确选项） ‎ A．实验中需用秒表记下运动的时间 ‎ B．开始释放小车时，应使小车靠近电火花计时器 ‎ C．先接通电火花计时器电源，然后放开小车 ‎ ‎（2）有一次实验中某小组得到如图甲所示的纸带，并按照打点时间先后，依次选定了OABCDEF七个计数点（每两个计数点之间还有四个点没有画出），经过测量后计算得到相邻计数点间的距离．请根据实验数据，判断这个纸带做的是 ______ （填“加速”、“匀速”或“减速”）．电火花计时器打下相邻两点的时间间隔是 ______ s．根据纸带上可以计算得到加速度大小为 ______ （结果保留3位有效数字）．‎ ‎【答案】 BC 加速 0.02s 2.01 m/s2‎ ‎【点睛】对于“探究小车速度随时间变化的规律”这样的基础实验，同学们一定要到实验室亲自操作，才能深刻理解实验步骤、注意事项、数据处理等问题的细节，要注意单位的换算和有效数字的保留。‎ ‎2．（1）关于电磁打点计时器和电火花计时器，下列说法正确的是 A．电磁打点计时器用的是直流电源，而电火花计时器用的是交流电源 B．它们每隔0.02s打一个点 C．它们的工作电压均为220V的交流电源 D．使用它们计时时，必须先拉动纸带，再立即接通电源．‎ ‎（2）如图1所示是电火花计时器的示意图，其工作时的基本步骤如下：‎ A．当纸带完全通过电火花计时器后，及时关闭电火花计时器 B．接通开关，听到放电声，拖动纸带运动 C．将纸带从墨粉纸盘下面穿过打点计时器 D．将电火花计时器插头插入相应的电源插座 上述步骤正确的顺序是 ．（按顺序填写步骤编号）‎ ‎（3）打点计时器固定在斜面上某处，一小车拖着穿过打点计时器的纸带从斜面上滑下如图甲所示．若工作电源的频率为50赫兹，纸带上打点如图，则打点计时器打A点时小车的速度vA= m/s，若小车做匀变速直线运动，该运动过程的加速度a= m/s2‎ ‎（4）在研究匀变速直线运动的实验中，算出小车经过各计数点的瞬时速度，为了计算加速度，最合理的方法是 A．根据任意两计数点的速度用公式a=算出加速度 B．根据实验数据画出v﹣t图象，量取其倾角θ，由公式a=tanθ求出加速度 C．根据实验数据画出v﹣t图象，由图象上相距较远的两点所对应的速度、时间用公式a=算出加速度 D．依次算出通过连续两计数点间的加速度，算出平均值作为小车的加速度．‎ ‎【答案】（1）B；（2）DCBA；（3）0.55，5；（4）C．‎ 解：（1）ABC、电火花计时器是使用交流电源的计时仪器，电磁打点计时器的工作电压交流6V以下，当电源的频率为50Hz时，它每隔0.02s打一次点，故AC错误，B正确；‎ D、使用它们计时时，必须先接通电源，再拉动纸带，故D错误；‎ ‎（2）实验步骤要遵循先安装器材后进行实验的原则进行：先将电火花计时器插头插入相应的电源插座，再将纸带从墨粉纸盘下面穿过打点计时器，然后接通开关，听到放电声，拖动纸带运动，最后当纸带完全通过电火花计时器后，及时关闭电火花计时，上述步骤正确的顺序是DCBA．‎ ‎（3）小车做匀加速直线运动，平均速度等于中间时刻的瞬时速度，故 vA==55cm/s=0.55m/s；‎ 根据推论公式△x=aT2，有a==m/s2=5m/s2；‎ D、若依次算出通过连续两计数点间的加速度，算出平均值作为小车的加速度，则实际应用的只是第一组和最后一组数据，同样存在较大的误差； 故D错误；‎ 故答案为：（1）B；（2）DCBA；（3）0.55，5；（4）C．‎ ‎【点睛】对于基本仪器的使用和工作原理，我们不仅从理论上学习它，还要从实践上去了解它，自己动手去做做，以加强基本仪器的了解和使用；明确纸带处理中瞬时速度和加速度的求解方法，掌握电火花打点计时器与电磁打点计时器的区别与联系；还考查实验数据处理的方法，在实验中处理数据的方法较多，而图象法往往是一种比较准确的解题方法． ‎ ‎6．在做“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中：‎ ‎(1)实验室提供了以下器材：一端装有定滑轮的长木板、小车、纸带、钩码、4-6V的交流电源。为了完成本实验还须从图中选取实验器材，其名称是_______________；并写出所选器材的作用_______________.‎ ‎(2)已知打点计时器所用交流电的频率为50Hz。如图所示为实验所打出的一段纸带，在顺次打出的点中，从O点开始每5个打点间隔取1个计数点，分别记为A、B、C、D、E。相邻计数点间的距离已在图中标出，则打点计时器打下计数点C时，小车的瞬时速度v=________m/s；小车的加速度a=________m/s2。‎ ‎(3)某同学在实验中选用电火花计时器，其工作时的基本步骤如下：‎ A．当纸带完全通过电火花计时器后，及时关闭电火花计时器 B．将电火花计时器插头插入相应的电源插座 C．把计时器固定在长木板上，将纸带从墨粉纸盘下面穿过打点计时器 D．接通开关，听到放电声，立即拖动纸带运动 上述步骤正确的顺序是________．(按顺序填写步骤编号)，所打的点在纸带_______上(选填“纸带1”或“纸带2”)‎ ‎【答案】（1）电磁打点计时器，记录小车运动位置和时间；刻度尺，测量计数点间的距离（2）、（3）CBDA、纸带1‎ ‎【解析】试题分析：（1）电火花打点计时器使用的是220V的交流电，电磁打点计时器使用的是4-6V的交流电，所以应选择电磁打点计时器，其作用为记录小车运动位置和时间，实验中还需要刻度尺测量计数点间的距离，（2）计数点间的时间间隔为，C点的瞬时速度为 ‎，根据公式可得 ‎【考点】“探究小车速度随时间变化的规律”的实验 ‎7．在《探究小车速度变化规律》实验中，得到如图所示的一条纸带。已知打点计时器打点的时间间隔为0.02s，纸带上的各个点均为计数点（相邻两个计数点之间还有四个点图中未画出）。测量数据及其标记符号如图所示。‎ ‎（1）打点计时器打下第4个点时小车的速度大小为 m/s。（保留三位有效数字）‎ ‎（2）该同学用两种方法处理数据，并求出小车的加速度（T为相邻两计数点的时间间隔）：‎ 方法A：由……，取平均值求出加速度a。‎ 方法B：由取平均值求出加速度a。‎ 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 （填写字母）。因此，选择方法 （填A或B）更合理，求得小车的加速度大小是 ‎ m/s2（保留三位有效数字）。‎ ‎【答案】（1） 1.47 m/s （2） X1 X6； X1 X2 X3 X4 X5 X6 ； B ； 3.12 m/s2‎ ‎【解析】试题分析：（1）打4点时的速度就是点3—5之间的平均速度，即：；‎ ‎（2）按A的算法可知 因此只与X1 X6‎ 而按B的算法 因此与X1 X2 X3 X4 X5 X6有关 有B同学的方法计算：‎ ‎【考点】打点计时器测匀变速直线运动加速度 ‎8．（6分，每空格2分） ‎ 利用上图装置可以做力学中的许多实验，以下说法正确的是________。‎ A．利用此装置“研究匀变速直线运动”时，必须设法消除小车和木板间的摩擦阻力的影响 B．利用此装置“探究加速度a与力F的关系” 每次改变砝码及砝码盘总质量之后，不需要重新平衡摩擦力 C．在利用此装置“探究加速度a与力F的关系”时，应使小盘和盘内砝码的总质量远小于小车的质量 D．利用此装置探究“探究功与速度变化的关系”实验时，不需要平衡小车运动中所受摩擦力的影响。‎ ‎（2）本装置中要用到打点计时器，如图所示为实验室常用的两种计时器，‎ ‎①其中甲装置用的电源要求是 。‎ A．交流220V B．直流220V C．交流4—6V D．直流4—6V 在利用此装置“探究加速度a与力F的关系”时，实验中按规范操作打出的一条纸带的一部分如上图。已知打点计时器接在频率为50Hz的交流电源上，则此次实验中打点计时器打下A 点时小车的瞬时速度为 m/s。（结果保留2位有效数字）‎ ‎【答案】（1）BC（2）A（3）（0.62—0.63）m/s ‎【解析】试题分析：研究匀变速直线运动，小车受到的拉力和摩擦力恒定，不需要平衡摩擦力，A错误；探究加速度与合外力的关系实验，小车的质量保持不变，摩擦力不变，改变拉力后不需要重新平衡摩擦力，B正确；探究加速与合力关系实验，当盘和盘内砝码的总质量远小于小车的质量时，绳子拉力大小近似等于盘和盘中砝码的重力大小，C正确；探究功与速度变化的关系实验时，需要平衡摩擦力，小车动能的变化才等于绳子拉力做的功，D错误。甲装置为电火花式电磁打点计时器，使用交流220V电压，A正确。在纸带上以A为中点取前后各三个时间间隔，读出六个间隔对应的长度，求出平均速度，即为A点的瞬时速度，大小为（0.62—0.63）m/s。‎ ‎【考点】本题考查打点计时器的使用。‎ ‎1. (浙江2017年11月)在做“探究加速度与力、质量的关系”实验中 ‎（1）下列仪器需要用到的是___________（多选）‎ ‎（2）下列说法正确的是____________（多选）‎ A、先释放纸带再接通电源 B、拉小车的细线应尽可能与长木板平行 C、纸带与小车相连端的点迹较疏 D、轻推小车，拖着纸带的小车能够匀速下滑说明摩擦力已被平衡 ‎（3）如图所示是实验时打击的一条纸带，ABCD……为每隔4个点取计数点，据此纸带可知小车在D点速度大小为_________m/s（小数点后保留两位）‎ ‎【答案】(1). AD (2). BD (3). 0.21±0.01‎ ‎（1）实验通过打点计时器求解物体的加速度，所以需要打点计时器，A正确；需要通过改变小车质量和悬挂物的重力，来研究加速度、质量、合力之间的关系，故还需测量质量，即需要天平，D正确；打点计时器为计时仪器，所以不需要秒表，本实验中小车受到的合力等于悬挂物的重力，故不需要弹簧测力计．‎ ‎ ‎ ‎ 1．(浙江省名校协作体2018届高三上学期考试)甲同学准备做“探究功与物体速度变化的关系”实验。乙同学准备做“验证机械能守恒定律”实验。丙同学准备做“研究匀变速直线运动速度与时间关系”实验。‎ ‎（1）甲同学用电磁打点计时器与学生电源相接，下面接线正确的是____（填“图1”或“图2”）‎ ‎（2）关于甲、乙两同学的实验下列说法正确的是____(填字母代号)‎ A．甲同学可以利用纸带上任意两计时点的距离求所需速度 B．甲同学实验时，通过改变小车的释放位置来探究做功与速度变化关系 C．乙同学可以利用v=gt求出某计时点的瞬时速度 D．乙同学实验时使重物靠近打点计时器释放的目的是为了获取更多的计时点 ‎（3）三个同学实验正确操作后获得了一条纸带，下图是某位同学实验中打出的一条纸带的一部分（单位：cm)，纸带上标出了连续的6个计数点，相邻计数点之间还有4个点没有画出。打点计时器打“3”点时，小车的速度为____m/s(结果保留两位有效数字)。‎ 通过分析可得出：这条纸带是____同学得到；以上三个实验中必须要平衡摩擦力是____同学的实验（以上两空请填“甲”、“乙”或“丙”）。‎ ‎【答案】 图2； D； 0.23； 丙； 甲 ‎（3）打点计时器打“3”点时，小车的速度为 ‎ 通过纸带可知加速度可知纸带不是乙同学得到的；因相邻两点间距逐渐变大，可知纸带不是甲同学得到的，通过分析可得出：这条纸带是丙同学得到；以上三个实验中必须要平衡摩擦力是“探究功与物体速度变化的关系”实验，即甲同学的实验.‎ 点睛：解答此类问题必须要搞清三个实验的实验原理，并能比较三个实验的相同点和不同点.‎ ‎2．(2015浙江诸暨中学高三上期期中)利用下图装置可以做力学中的许多实验，‎ ‎（1）一下说法正确的是 ‎ A利用此装置“研究匀变速直线运动”时，必须设法消除小车河木板间的摩擦阻力的影响 B利用此装置“探究加速度a与力F的关系”每次改变砝码及砝码盘总质量后，不需要重新平衡摩擦力 C在用此装置“探究加速度a与力F的关系”时，应使小盘和盘内砝码的总质量远小于小车的质量 D用此装置探究“功与速度变化的关系”实验时，不需要平衡小车运动过程中所受摩擦力的影响 ‎（2）本装置中要用到打点计时器，如图所示为实验室常用的两种计时器，其中甲装置用的电源要求是 ．‎ A．交流220V B．直流220V C．交流4—6V D．直流4—6V ‎（3）在利用此装置“探究加速度a与力F的关系”时，实验中按规范操作打出的一条纸带的一部分如下图．已知打点计时器接在频率为50 Hz的交流电源上，则此次实验中打点计时器打下A 点时小车的瞬时速度为 m/s．（结果保留2位有效数字）‎ ‎【答案】（1）BC（2）A（3）0.63m/s ‎（2）甲装置是电火花打点计时器，直接接220V交流电源，故A正确；‎ ‎（3）根据中间时刻的速度等于平均速度得：‎ ‎【考点】探究加速度与物体质量、物体受力的关系 ‎3.（2015届浙江省台州中学高三上学期第二次统练）利用图（甲）示装置可以做力学中的许多实验 ‎（1）以下说法正确的是 ‎ A．利用此装置“研究匀变速直线运动” 时，必须设法消除小车和木板间的摩擦阻力的影响 B．利用此装置探究 “小车的加速度与质量的关系” 并用图象法处理数据时，如果画出的a-M关系图象不是直线，就可确定加速度与质量成反比 C．利用此装置探究“功与速度变化的关系”实验时，应将木板带打点计时器的一端适当垫高，这样做的目的是利用小车重力沿斜面分力补偿小车运动中所受阻力的影响 ‎（2）小华在利用此装置进行“探究加速度a与力F的关系”的实验过程中，打出了一条纸带。从比较清晰的点起，每5个点取一个计数点，用刻度尺测量计数点间的距离如图（乙）所示。已知打点计时器所用电源的频率为50Hz。（g="9.8" m/s2）求：‎ ‎①从图中所给的刻度尺上读出A、B两点间的距离S1 = cm；‎ ‎②该小车的加速度a = m/s2；‎ ‎③实验的过程中，小华不断增加所挂钩码的个数，导致钩码的质量远远大于小车的质量，则小车加速度a的值随钩码的个数的增加将趋近于 。‎ ‎【答案】（1）C （2）①0.70 ②0.2 ③9.8‎ ‎【解析】试题分析：（1）此装置可以用来研究匀变速直线运动，但不需要平衡摩擦力，选项A错误；曲线的种类有双曲线、抛物线、三角函数曲线等多种，所以若a－M图象是曲线，不能断定曲线是双曲线，即不能断定加速度与质量成反比，应画出a－图象，选项B错误；探究“功与速度变化的关系”实验时，需要平衡摩擦力，方法是将木板带打点计时器的一端适当垫高，这样做的目的是利用小车重力沿斜面分力补偿小车运动中所受阻力的影响，从而小车受到的合力即为绳子的拉力，选项C正确。‎ ‎【考点】此题考查了探究功与速度变化的关系的实验、探究小车速度随时间变化的规律的实验、加速度的求解方法。 ‎ ‎4．(2015届浙江省“温州八校”高三返校联考)利用下图装置可以做力学中的许多实验，（1）以下说法正确的是__ ___。‎ A．用此装置“研究匀变速直线运动”时，必须设法消除小车和滑轨间的摩擦阻力的影响 B．用此装置“研究匀变速直线运动”时，必须调整滑轮高度使连接小车的细线与滑轨平行 C．用此装置“探究加速度a与力F的关系” 每次改变砝码及砝码盘总质量之后，需要重新平衡摩擦力 D．用此装置“探究加速度a与力F的关系”应使小盘和盘内砝码的总质量远小于小车的质量 ‎（2）本装置中要用到打点计时器，如图所示为实验室常用的两种计时器，其中甲装置用的电源要求是 。‎ A．交流220V B．直流220V C．交流4 - 6V D．直流4 - 6V ‎（3）在利用此装置“探究加速度a与力F的关系”‎ 时，实验中按规范操作打出的一条纸带的一部分如下图。已知打点计时器接在频率为50Hz的交流电源上，则此次实验中打点计时器打下A点时小车的瞬时速度为 ‎ m/s。（结果保留2位有效数字）‎ ‎【答案】(1) BD （2）A （3）0.51 ~0.53‎ ‎（2）甲是电火花打点计时器，使用的是220V的交流电，故选A ‎（3）在匀变速直线过程中中间时刻速度等于该过程中的平均速度，故有 ‎【考点】“探究加速度a与力F的关系”‎ ‎5．(2016届浙江绍兴第一中学高三上期期中)如图是某同学做“研究匀变速直线运动”实验时获得的一条纸带．‎ ‎（1）打点计时器电源频率为50Hz． A、B、C、D、E、F、G是纸带上7个连续的点，F点由于不清晰而未画出．试根据纸带上的数据，推测F点在刻度尺上的位置，其读数应记为______cm。算出F点对应的速度大小为vF=______m/s（计算结果保留两位有效数字）‎ ‎（2）请根据纸带上的数据，作出的v-t图象 ‎（3）根据图象，可得t=0时的速度vA="______" m/s，加速度a=______m/s2（计算结果保留两位有效数字 ‎【答案】（1）5.00；0.70；（2）如图；（3）0.20；5.0；‎ ‎（2）同理可求解B、C、D、E各点的速度分别为： 0.30m/s、0.40m/s、0.50m/s、0.60m/s，作出的v-t图象如图；‎ ‎（3）根据图象，可得t=0时的速度vA="0.20" m/s，加速度 ‎【考点】研究匀变速直线运动实验