高二物理复习用打点计时器测速度 研究匀变速直线运动 人教实验版 15页

高二物理复习用打点计时器测速度 研究匀变速直线运动 人教实验版 ‎ 一、本周教学内容：‎ 复习 第一章 实验：用打点计时器测速度 研究匀变速直线运动 实验一、用打点计时器测速度 一、实验目的 练习使用电磁打点计时器或电火花打点计时器，学会用打上点的纸带测量瞬时速度；学会用图象表示速度．‎ 二、实验原理 电磁打点计时器是一种记录运动物体在一定时间间隔内位移的仪器．它使用交流电源，工作电压在10V以下，当电源的频率为50 Hz时，它每隔0.02s打一次点．如果运动物体带动通过打点计时器的纸带，在纸带上打下的各点之间的距离就表示相应时间间隔中物体的位移．测量点的位置，就能了解物体的运动情况．‎ 电火花打点计时器是利用脉冲电流产生火花放电，在纸带上打出点迹的仪器．当电源频率是50 Hz时，它每隔0.02s打一次点．这种计时器工作时，纸带运动受到的阻力小，实验误差较小．‎ 要测量纸带上打下某点（如E点）的瞬时速度，可在该点两侧取打的两点（如D、F）（此两点时间间隔取得要小），根据两点间的位移差和时间间隔△s，算出纸带在这两点间的平均速度，即可当作计时器打下该点（E点）的瞬时速度．‎ 利用上述方法，求出所取的各“测量点”的瞬时速度，把开始的某个测量点作为计时开始（t=0），找出以后的各测量点对应的时刻，根据v、t数据在建立的v—t坐标系中描点，然后用一条平滑曲线来“拟合”坐标系中描出的点，这样就得出了纸带运动的v—t图象，根据v-t图象就可知速度是怎样变化的．‎ 三、注意事项 ‎1. 计时器打出的点不清晰，则主要是电压偏低或振针位置不合适．‎ ‎2. 打点计时器在纸带上应打出轻重合适的小圆点，如果打出的是短横线，应调整一下振针距复写纸的高度，使之增大一些．‎ ‎3. 计时器打点时，应先接通电源，待打点稳定后，再拉动纸带．‎ ‎4. 拉动纸带前，应使拉动端停靠在靠近打点计时器的位置．‎ ‎5. 计算所打点的瞬时速度时，所取该点两侧的两点对应的时间间隔△t应小些．‎ ‎【例1】某学生在用打点计时器做测定匀变速直线运动的实验时，其开始时的装配图如图所示，其中有错误与不妥之处，请把它找出来．‎ 解析：电磁打点计时器必须接交流电，而图上所接为直流电源，显然是个错误；开始时，小车离定滑轮端太近，向前运动的余地太小，致使纸带上留下的计时点过少，给测量带来不便，产生较大误差．‎ 答案：①电磁打点计时器接直流电源 ‎②初始时，小车离定滑轮太近 ‎【例2】用接在50 Hz交流电源上的打点计时器，V测定小车的运动情况．某次实验中得到一条纸带如图所示。从比较清晰的点起，每五个打印点取一个计数点，分别标明0，l，2，3，……量得0与l两点间距离s1=‎30 mm，2与3两点间的距离s2=‎48 mm，则小车在0与1两点间的平均速度为= m／s，在2与3两点间的平均速度= m／s．据此可判定小车做 ．‎ 解析：由平均速度的定义式得 可见，小车的速度变大，故判定小车做加速运动．‎ 答案：0.3，0.48，加速运动 ‎【例3】一同学在用打点计时器做“测匀变速直线运动加速度”的实验时，纸带上打出的不是圆点，而是如图所示的一些短线，这可能是因为…………………………………（ ）‎ A. 打点计时器错接在直流电源上 B. 电源电压不稳定 C. 电源的频率不稳定 D. 打点针压得过紧 解析：当打点计时器振动片一端的打点针与复写纸片的距离过大时，振针可能够不着复写纸片，我们可能看到时有时无的点痕，也可能完全没有点痕．当振针距离复写纸片间隙过小，每一个打点周期内就会有较长一段时间接触并挤压在复写纸上，这样就成了一段一段的小线段，所以在使用打点计时器前要检查一下打点针到复写纸片的距离是否适中，否则就要做适当的调整，而A造成的后果是打点计时器不工作，B造成的后果是打点计时器工作不稳定，C造成各点间距忽大忽小，D正确．‎ 答案：D 实验二、研究匀变速直线运动 一、实验目的 ‎1. 掌握判断物体是否做匀变速直线运动的方法．‎ ‎2. 测定匀变速直线运动的加速度．‎ 二、实验原理 测定物体做匀变速直线运动最基本的是测出位移和时间的关系，运用匀变速直线运动的规律，对纸带数据进行处理．‎ 关于纸带的计算 ‎1. 位移差法判断运动情况，设相邻点之间的位移分别为sl、s2、s3……‎ ‎（1）若，则物体做匀速直线运动．‎ ‎（2）若，则物体做匀变速直线运动．‎ ‎2. 逐差法求加速度，即 然后取平均值，即 这样使所给数据全部得到利用，以提高准确性．‎ ‎3. 平均速度法求速度，即 如图 ‎4. 图像法求加速度，即由，求出无数个点的速度，画出v-t图，直线的斜率即加速度．‎ 三、实验步骤 ‎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；再把一条细绳拴在小车上，细绳跨过滑轮，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，实验装置见图．‎ ‎2. 把小车停在靠近打点计时器处，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．‎ ‎3. 从三条纸带中选择一条比较理想的纸带，舍掉开头比较密集的点，在后边便于测量的地方找一个开始点，并把每打五个点的时间作为时间的单位，即T=0.02×5 s= 0.1 s，在选好的开始点下面记作0，第六点作为计数点l，依此标出计数点2、3、4、5、6．两相邻计数点间的距离用刻度尺测出，分别记作s1，s2，…s6‎ ‎4. 根据测量结果和前面的计算公式，计算出、、的值，求出a的平均值，它就是小车做匀变速运动的加速度．‎ 四、注意事项 l. 要在钩码（或沙桶）落地处放置软垫或沙箱，防止撞坏钩码；‎ ‎2. 要在小车到达滑轮前用手按住它或放置泡沫塑料挡块，防止车掉在地上或撞坏滑轮；‎ ‎3. 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的纸带上能清楚地取出7～8个计数点为宜；‎ ‎4. 纸带运动时不要让纸带与打点计时器的限位孔摩擦．‎ ‎【例l】某同学在“测匀变速直线运动的加速度”的实验中，用打点计时器记录了被小车拖动的纸带的运动情况，在纸带上确定出A、B、C、D、E、F、G共七个计数点，其相邻点间的距离如图所示，每两个相邻的计数点之间的时间间隔为0.10 s．‎ ‎（1）试根据纸带上各个计数点间的距离，计算出打下B、C、D、E、F五个点时小车的瞬时速度，并将各个速度值填入下式（要求保留三位有效数字）．‎ ‎___________，____________，=_________，_________，____________。‎ ‎（2）将B、C、D、E、F各个时刻的瞬时速度标在如下图所示的坐标纸上，并画出小车的瞬时速度随时间变化的关系图线．‎ ‎（3）根据第（2）问中画出的v-t图线，求出小车运动的加速度为 ．（保留两位有效数字）‎ 解析：（1）根据一段时间内的平均速度等于该段时间中间时刻的瞬时速度，可求得打下B、C、D、E、F五个计数点时小车的速度为：‎ ‎（2）在v—t图上找出对应的五个坐标点，然后过坐标点画出一条倾斜的直线，尽可能让五个点都通过此直线，如不行，一定要使不在直线上的点均匀地分布在直线的两侧．这样就取了平均值，减少了偶然误差．（如图所示）‎ ‎（3）根据匀变速直线运动v—t图线的性质可知，直线的斜率的大小等于加速度，故 答案：（1）0.400 0.479 0.560 0.640 0.721（2）见解析图 （3）0.84（0.80～0.85均可）‎ ‎【例2】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如下：‎ 为了计算加速度，合理的方法是（ ）‎ A. 根据任意两计数点的速度用公式算出加速度 B. 根据实验数据画出v—t图象，量出其倾角，由公式 a=tan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 解析：方法A偶然误差较大．方法D实际上也仅由始末两个速度决定，偶然误差也比较大．只有利用实验数据画出对应的v—t图象，才可充分利用各次测量数据，减少偶然误差．由于在物理图象中，两坐标轴的分度大小往往是不相等的，根据同一组数据，可以画出倾角不同的许多图象，方法B是错误的．正确的方法是根据图象找出不同时刻所对应的速度值，然后利用公式算出加速度，即C选项正确．‎ 答案：C ‎【例3】利用如图所示的装置，做“测定重力加速度”的实验．按正确的实验操作得到一条纸带，在纸带上取得连续清晰的6个点，打点计时器所用电源的频率为50 Hz．用米尺测得第1、2、3、4、5、6各点与第O点的距离如下表：‎ 利用这些数据求出重力加速度g的测量值为 ．（取三位有效数字）‎ 解析：‎ 则 答案：‎ ‎【模拟试题】‎ ‎1. 当纸带与运动物体连接时，打点计时器在纸带上打出点痕．下列关于纸带上点痕的说法中，哪些是正确的（ ）‎ A. 点痕记录了物体运动的时间 B. 点痕记录了物体在不同时刻的位置和某段时间内的位移 C. 点痕在纸带上的分布情况，反映了物体的质量和形状 D. 纸带上点痕的分布情况，反映了物体的运动情况 ‎2. ‎ 某同学用手水平拉动纸带通过打点计时器时，在纸带上打下了一系列点，他要根据这些点计算纸带的平均速度及判断纸带是否做匀速直线运动，则下列操作正确的是（ ）‎ A. 首先查清共有几个点 B. 首先从第一个能看得清楚的点开始数起，查清共有几个点 C. 首先测量出每两个相邻的清晰的点之间的距离，然后相加，把相加的结果作为所有能看清点间的总长度，用来计算平均速度 D. 分别测出每两个相邻的清晰的点之间的距离，用来计算各段的平均速度，判断是否做匀速直线运动 ‎3. 在做“探究小车速度随时间变化的规律”的实验时，下列方法有利于减小实验误差的是（ ）‎ A. 选取计数点，把每5个点的时间间隔作为一个时间单位 B. 使小车运动的加速度尽量小些 C. 舍去纸带上密集的点，只利用点迹清晰、点间间隔适当的那一部分点进行测量、计算 D. 选用各处平整程度、光滑程度相同的长木板做实验 ‎4. 如图是小车在斜面上运动时，通过计时器所得的一条纸带．各段长度为OA=‎6.05cm、OB=‎13.18cm、OC=‎21.40cm、OD=‎30.70cm、OE=‎41.10cm、OF=‎52.58cm，根据这些数据求出B、C、D、E各点的速度并画出速度—时间图象（取A点为计时开始，打点计时器每隔0.02s打一次点，BC、DE间均有四个点未打出）．‎ ‎5. 在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，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=0.1s．试作出小车的v—t图象，并分析运动特点．‎ ‎6. 某同学在做“研究匀变速直线运动”‎ 的实验时，从打下的若干纸带中选出了如图所示的一条（每两点间还有4个点没有画出来），图的数字为相邻两个计数点间的距离．打点计时器的电源频率为50 Hz．‎ 由这些已知数据计算：①该匀变速直线运动的加速度a= m／s2．②与纸带上D点相对应的瞬时速度v= m／s．（答案均要求保留三位有效数字）‎ ‎7. 伽利略通过研究自由落体和物块沿光滑斜面的运动，首次发现了匀加速运动规律．伽利略假设物块沿斜面运动与物块自由下落遵从同样的法则，他在斜面上用刻度表示物块滑下的路程，并测出物块通过相应路程的时间，然后用图线表示整个运动过程，如图所示．图中OA表示测得的时间，矩形OAED的面积表示该时间内物块经过的路程，则图中OD的长度表示 ．P为DE的中点，连接OP且延长交AE的延长线于B点，则AB的长度表示 .‎ ‎8. 旷用铁架台将长木板倾斜支在水平桌面上，组成如图甲所示装置（示意图），用以测量木块沿斜面下滑的加速度．所提供的仪器有长木板、木块、打点计时器（含纸带）、学生电源、米尺、铁架台及导线、开关等．图乙是打点计时器打出的一条纸带，纸带旁还给出了最小刻度为‎1 mm的刻度尺，刻度尺的零刻度线与0点对齐．A、B、C、D为四个相邻的计数点，相邻计数点间还有四个点未标出．打点计时器所用交流电源的频率是50 Hz．‎ ‎（1）计数点A到O点的距离是 mm．（2）根据纸带可以计算出木块下滑的加速度的大小是 m／s2（保留三位有效数字）．（3）如果为了测定木块与长木板间的动摩擦因数，利用上述器材还需要测量的物理量有__________（指出物理量的名称）．‎ ‎9. 利用打点计时器研究一个约‎1.4m高的商店卷帘窗的运动，将纸带黏在卷帘底部，纸带通过打点计时器随帘在竖直面内向上运动．打印后的纸带如图所示，数据如表格所示，纸带中每相邻两点之间的时间间隔为0.10s．根据各间距的长度，可计算出卷帘窗在各间距内的平均速度，可以将近似地作为该间距中间时刻的瞬时速度v．‎ ‎（1）请根据所提供的纸带和数据，在图中绘出卷帘窗运动的v—t图象.‎ ‎（2）AK段的平均速度为 m／s．‎ ‎[参考答案]‎ ‎1. ABD 2. BD 3. ACD ‎4. ‎ 速度—时间图象如图所示。‎ ‎5. 因为两相邻的计数点间的时间间隔很短，故平均速度与瞬时速度近似相等，，作出图象如图所示。小车速度随时间均匀增加。‎ ‎6. ①2.10 ②1.22‎ ‎7. 物块的平均速度 物块的末速度 ‎8. （1）105.0 （2）2.4 （3）木块的长度和木板两端的高度差 ‎9. （1）如图所示。‎ ‎（2）‎ AK间的平均速度为。 ‎