2011高三物理一轮复习 2.4 实验：研究匀变速直线运动精品课件

第4课时实验：研究匀变速直线运动一、打点计时器1．电磁打点计时器使用交流电压为____________的电源，当电源频率是50Hz时，它每隔_________打一个点．2．电火花计时器是利用__________在纸带上打出小孔而显示出点迹的计时仪器，使用__________交流电压，当电源频率为50Hz时，它也是每隔_________打一个点．1.4V～6V0.02s火花放电220V0.02s二、纸带的数据记录1．取点的原则：从打下的纸带中选取___________的纸带，舍掉开始比较密集的点迹，从便于测量位置取一个计数点A，然后每5个点(或者说每隔4个点)如下图所示，取一个计数点B、C、D….这样每两个计数点间的时间间隔为T＝_______，计算比较方便．点迹清晰0.1s2．从纸带读取长度的方法：利用毫米刻度尺．测出各点到A点的距离，算出相邻计数点间的距离s1、s2、s3、s4、s5、s6….由于毫米刻度尺的最小刻度是mm，读数时必须估读到mm的_________．下一位三、实验原理小车拖着纸带运动时，打点计时器就在纸带上打出一系列点．利用打点计时器的计时原理和纸带上点间位置的相对关系，找出运动物体在各段时间的相对位移，利用平均速度公式v＝st可求出某时刻对应的瞬时速度，以速度v为纵轴，以时间t为横轴建立直角坐标系，作v－t图象．从图象可以看出，小车运动的v－t图象是一条直线，直线的斜率等于加速度的大小．四、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．五、实验步骤1．把附有滑轮的长木板平放在实验桌上，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，使细绳跨过滑轮，下边挂上合适的钩码，把纸带穿过打点计时器，并把纸带的一端固定在小车的后面．3．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小点．换上新纸带，重复实验三次．4．数据处理：(1)用v－t图象法，先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的平均速度即vn＝(sn＋sn＋1)/(2T)求出打第n个点时纸带的瞬时速度，然后作出v－t图象．图线的斜率即为物体运动的加速度：a＝Δv/Δt.(2)根据测量结果，利用“逐差法”公式算出加速度a1、a2、a3的值．求出a1、a2、a3的平均值，它就是小车做匀变速直线运动的加速度．把计算的结果填入下表中，求出小车做匀变速直线运动的加速度a.计数点位移s/m位移差Δs/m分段加速度a/(m·s－2)小车加速度a/(m·s－2)01s1＝2s2＝3s3＝4s4＝s4－s1＝a1＝5s5＝s5－s2a2＝6s6＝s6－s3a3＝一、注意事项1．要在钩码落地处放置软垫或砂箱，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板，防止车掉在地上或撞坏滑轮．3．开始释放小车时，应使小车靠近打点计时器．4．应该先接通电源，待打点计时器工作稳定后，再释放小车．5．小车另一端所挂的钩码个数要适当，避免加速度过大而使纸带上打的点太少，或者加速度太小，使各段位移无多大区别．6．选择一条理想的纸带，是指纸带上的点迹清晰．适当舍弃点子密集部分，适当选取计数点(计数点和计时点有区别)，弄清楚所选的时间间隔T等于多少秒．二、误差分析本实验中误差来源于s和T.由于电源频率很稳定，所以打点时间T的误差可忽略不计．在用毫米刻度尺测量s时，要求眼睛正对刻度尺．一、完善实验步骤在“测定匀变速直线运动的加速度”的实验中，某同学的操作步骤如下，其中错误或遗漏的步骤有(遗漏可编上序号G、H……)________．A．拉住纸带，将小车移到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，细绳跨过定滑轮，下面吊着适当重的钩码D．取下纸带E．将平板一端抬高，轻推小车，使小车能在平板上做加速运动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并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，D中先断开电源，使计时器停止工作，再取下纸带；遗漏G，换上新纸带重复实验三次．合理顺序：BEFCADG.【答案】BEFCADG二、纸带数据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，如下图所示，已知打点计时器每隔0.02s打一个点，该同学选取了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)因为相邻的位移差Δs＝BC－AB＝CD－BC＝DE－CD＝EF－DE＝常数，所以小车做匀加速运动．(2)由图可知，相邻计数点的时间间隔T＝2×0.02s＝0.04s由求瞬时速度的方法可得：vB＝AC2T＝3.32×10－22×0.04m/s＝0.415m/s，vC＝BD2T＝(5.46－1.50)×10－22×0.04m/s＝0.495m/s，vD＝CE2T＝(7.92－3.32)×10－22×0.04m/s＝0.575m/s，vE＝DF2T＝(10.70－5.46)×10－22×0.04m/s＝0.655m/s.(3)画v－t图象，如右图，描点、拟合得到直线，由图象可得a＝2.0m/s2.【点评】判断一个物体是否做匀变速运动的常见方法有：Δx＝aT2和Δv＝aT的方法．三、创新拓展实验某同学在探究“小车速度随时间变化规律”的实验时，设计的实验方案中选用了打点计时器，利用穿过打点计时器的纸带来记录小车的运动．实验后，该同学选择了一条较为理想的纸带，测量数据后，通过计算得到了小车运动过程中各计时时刻的速度如表格所示.位置编号012345时间：t/s00.10.20.30.40.5速度：v/m·s－10.420.670.921.161.421.76(1)分析表中数据，在误差允许的范围内，小车做______运动．(2)由于此次实验的原始纸带没有保存，另一同学想估算小车从位置0到位置5的位移，其估计算方法如下：x＝(0.42×0.1＋0.67×0.1＋0.92×0.1＋1.16×0.1＋1.42×0.1)m，那么，该同学得到的位移________(选填“大于”、“等于”或“小于”)实际位移．为了使估算的位移尽可能接近真实值，你认为采取什么方法更合适？(不必算出具体数据)_______________.【解析】(1)由表中数据可见，每经过0.1s，速度大约增加0.25m/s，在误差允许的范围内，小车做匀加速直线运动．(2)小于可以先计算相邻两位置之间的平均速度，再得到位移；或作出小车运动的v－t图象，利用速度图象下的面积求得小车的位移．因为小车是不断加速的，而该同学把第一个0.1s内的运动看成是以最小速度做匀速运动，同样，其他时间段内也是这样运算的，这样算出的位移比实际位移小．可以把时间分割的再细小一些，也可以利用平均速度来求位移，也可以用v－t图象的面积求位移．【答案】(1)匀加速直线(2)小于见解析(2007年高考北京理综)某同学用如下图所示的实验装置研究小车在斜面上的运动．实验步骤如下：命题研究a．安装好实验器材．b．接通电源后，让拖着纸带的小车沿平板斜面向下运动，重复几次．选出一条点迹比较清晰的纸带，舍去开始密集的点迹，从便于测量的点开始，每两个打点间隔取一个计数点，如下图中0、1、2……6点所示．a．安装好实验器材．b．接通电源后，让拖着纸带的小车沿平板斜面向下运动，重复几次．选出一条点迹比较清晰的纸带，舍去开始密集的点迹，从便于测量的点开始，每两个打点间隔取一个计数点，如下图中0、1、2……6点所示．c．测量1、2、3……6计数点到0计数点的距离，分别记作：s1、s2、s3……s6.d．通过测量和计算，该同学判断出小车沿平板做匀加速直线运动．e．分别计算出s1、s2、s3……s6与对应时间的比值s1t1、s2t2、s3t3……s6t6.f．以st为纵坐标、t为横坐标，标出st与对应时间t的坐标点，画出st－t图线．结合上述实验步骤，请你完成下列任务：(1)实验中，除打点计时器(含纸带、复写纸)、小车、平板、铁架台、导线及开关外，在下面的仪器和器材中，必须使用的有________和________．(填选项代号)A．电压合适的50Hz交流电源B．电压可调的直流电源C．刻度尺D．秒表E．天平F．重锤(2)将最小刻度为1mm的刻度尺的0刻度与0计数点对齐.0、1、2、5计数点所在位置如下图所示，则s2＝________cm，s5＝________cm.(3)该同学在下图中已标出1、3、4、6计数点对应的坐标点，请你在该图中标出与2、5两个计数点对应的坐标点，并画出st－t图线．(4)根据st－t图线判断，在打0计数点时，小车的速度v0＝________m/s；它在斜面上运动的加速度a＝________m/s2.【解析】(1)打点计时器必须与交流电源配合作用，选A.还必须使用刻度尺测量计数点到O点的距离，选C.(2)由图可知s2＝2.98cm，s5＝13.20cm.(3)因t2＝0.08s，s2t2＝2.98cm0.08s＝37.25cm/s，故计数点2的坐标为(0.08,37.25)，同理得计数点5的坐标为(0.20，66.00)．由匀加速直线运动规律可得st＝v0＋12at，故st－t图为一条倾斜直线，如下图所示．(4)该图象纵轴截距表示小车的速度v0＝0.18m/s.斜率k＝12a＝2.40m/s2，所以a＝4.80m/s2.【答案】(1)AC(2)(2.97～2.99)(13.19～13.21)(3)如下图所示(4)(0.16～0.20)(4.50～5.10)处理打点计时器打出的纸带的常用方法和技巧(1)纸带选择：从打点计时器重复打下的多条纸带中选点迹清楚的一条，舍掉开始比较密集的点迹，从便于测量的地方取一个开始点O，然后每5个点取一个计数点A、B、C…(或者说每隔4个点取一个计数点)，这样做的好处是相邻计数点间的时间间隔是0.1s(打点计时器电源的频率为50Hz)，便于计算．测出相邻计数点间的距离s1、s2、s3、….(2)物体运动情况的判断：利用s1、s2、s3、…可以计算出相邻等时间间隔内的位移之差s2－s1、s3－s2、s4－s3、…如果它们在误差允许的范围内相等，则可以判定被测物体的运动是匀变速直线运动．(3)瞬时速度v的求解：利用纸带可以求被测物体在任一计数点对应时刻的瞬时速度v.方法是利用一段时间内的平均速度等于这段时间内中间时刻的瞬时速度．(4)加速度的求解方法，常用的方法有三种：①逐差法：从纸带上得到6个相邻等时间段内的位移，将前三段看作新的s1′＝s1＋s2＋s3，后三段看作新的s2′＝s4＋s5＋s6，新的等时间间隔T′＝3T，则a＝s2′－s1′T′2.②公式法：利用任意两段相邻计数点间的位移求：a＝sm－sn(m－n)T2.③图象法：利用v－t图象求解，先求出各点的瞬时速度，再在v－t图中描点连线作出图线，物体运动的加速度就等于图线的斜率．(2008年高考宁夏卷)物理小组在一次探究活动中测量滑块与木板之间的动摩擦因数．实验装置如右图甲，一表面粗糙的木板固定在水平桌面上，一端装有定滑轮；木板上有一滑块，其一端与电磁打点计时器的纸带相连，另一端通过跨过定滑轮的细线与托盘连接．打点计时器使用的交流电源的频率为50Hz.开始实验时，在托盘中放入适量砝码，滑块开始做匀加速运动，在纸带上打出一系列小点．图乙给出的是实验中获取的一条纸带的一部分，0、1、2、3、4、5、6、7是计数点，每相邻两计数点间还有4个打点(图中未标出)，计数点间的距离如图所示．根据图中数据计算的加速度a＝________(保留三位有效数字)．【答案】0.497m/s2【解析】计数点间的时间间隔T＝0.1s根据逐差法s7－s4＝3a1T2，s