高三物理一轮复习精品课件阶段升华微专题7打点计时器在力学实验中的应用综述

菜单高三总复习·物理章末检测卷阶段升华微专题(七)打点计时器在力学实验中的应用菜单高三总复习·物理章末检测卷[专题归纳]斜面(一端带滑轮的木板)、小车(滑块)、打点计时器等是中学实验室常用器材，力学实验的关键是测量速度和加速度，利用打点计时器在与小车连接在一起的纸带上打出的点迹，可以得到位移、速度、加速度、时间等物理量，因此利用斜面(一端带滑轮的木板)、小车(滑块)、打点计时器等可以完成高考重点考查的五个力学实验：研究匀变速直线运动、验证牛顿第二定律、探究动能定理、验证机械能守恒、测定动摩擦因数．菜单高三总复习·物理章末检测卷1．“平均速度法”求速度，即做匀变速直线运动的物体，中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度，即vn＝xn＋xn＋12T.2．“逐差法”求加速度设相邻相同时间T内的位移分别为x1、x2……xn，则x2－x1＝x3－x2＝x4－x3＝……＝xn－xn－1＝aT2，x4－x1＝3a1T2，x5－x2＝3a2T2，x6－x3＝3a3T2得加速度a＝a1＋a2＋a33＝13(x4－x13T2＋x5－x23T2＋x6－x33T2)＝x4＋x5＋x6－x1＋x2＋x39T2菜单高三总复习·物理章末检测卷【例1】在“探究小车速度随时间变化规律”实验中．(1)某同学采用如图1甲所示的装置进行试验，_____(选填“需要”或“不需要”)平衡摩擦力，__________(选填“需要”或“不需要”)测量小车的质量．图1菜单高三总复习·物理章末检测卷(2)该同学在研究小车运动时打出了一条纸带，如图1乙所示．在纸带上，连续5个点为一个计数点，相邻两个计数点之间的距离见下表，并画出对应的图线(其中横坐标数值表示第几个0.1s，纵坐标对应的该0.1s内物体的位移)如图1丙所示．则小车的速度随时间__________(选填“是”或“不是”)均匀变化；整个过程中小车的平均加速度为__________m/s2.(保留两位有效数字)菜单高三总复习·物理章末检测卷丙图1时间t/0.1s123456相邻计数点的距离xn/cm1.452.453.464.445.456.46菜单高三总复习·物理章末检测卷【解析】(1)小车受摩擦力时仍做加速运动，故不需要平衡摩擦力，不需要测量小车的质量．(2)由xn­t图象知在相同时间Δt内位移的增加量相同，故小车的运动是匀加速运动，即小车的速度随时间是均匀变化的，平均加速度为a＝6.46＋5.45＋4.44－1.45－2.45－3.46×10－29×0.12m/s2＝1.0m/s2.【答案】(1)不需要不需要(2)是0.95～1.1m/s2菜单高三总复习·物理章末检测卷【例2】(2014·沈阳模拟)为了探究力与运动的关系，某兴趣小组设计了如图2甲所示的实验装置，将一右端与纸带相连的物块放置在水平桌面上的木板上，物块左端拴接一细线跨过定滑轮，细线的另一端连接钩码，在钩码的牵引下，物块向左运动，钩码落地后，物块在木板上做减速运动，通过打点计时器打出如图2乙所示的纸带．假设纸带与打点计时器之间的阻力不计，交变电流的周期为0.02s，重力加速度g取10m/s2.菜单高三总复习·物理章末检测卷甲乙图2菜单高三总复习·物理章末检测卷(1)钩码落地前物块的加速度为__________m/s2.(2)物块与木板之间的动摩擦因数μ＝__________.(3)经探讨，该小组认为实验前应首先平衡摩擦力，接着他们应当__________，将木板右端垫高，使物块能沿木板__________下滑．菜单高三总复习·物理章末检测卷【解析】钩码落地前物块做加速运动，对应纸带左端，由逐差法解得物块在钩码落地前的加速度a1＝1.5m/s2；物块减速阶段对应纸带右端，同理可解得减速阶段的加速度大小a2＝1.0m/s2；物块与木板间的动摩擦因数μ＝a2g＝0.1.为平衡物块与木板间的摩擦力，应当先取下钩码，将木板右端垫高，使物块能沿木板匀速下滑．【答案】(1)1.5(2)0.1(3)取下钩码匀速菜单高三总复习·物理章末检测卷【例3】某学习小组用如图3甲所示的实验装置探究动能定理，已知小车的质量为M，砂和砂桶的总质量为m，实验中砂桶未到达地面，要完成该实验，请回答下列问题：(1)实验时为保证小车受到的拉力大小与砂和砂桶的总重力大小近似相等，应使砂和砂桶的总质量远小于小车质量；实验时为保证小车受到的细线拉力等于小车所受的合外力，需要的操作是__________．甲图3菜单高三总复习·物理章末检测卷(2)在满足第(1)问的条件下，若通过实验得到的纸带如图3乙所示，A、B、C、D、E为计数点，相邻两点间的时间间隔为T，当地重力加速度为g，相邻计数点间的距离分别为x1、x2、x3、x4，其中B点和D点对应时刻小车的瞬时速度用vB和vD表示，则vB＝__________.小车在运动中对应纸带打B、D两点的过程，动能变化量的表达式ΔEk＝__________；小车合外力做的功的表达式为W＝__________.在多组实验数据基础上，分析小车所受合外力做的功与动能变化量的关系为W＝ΔEk.菜单高三总复习·物理章末检测卷乙图3菜单高三总复习·物理章末检测卷【解析】根据做匀变速直线运动的物体在一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度可知，vB＝x1＋x22T；vD＝x3＋x42T.小车在运动中对应纸带打B、D两点的过程，动能变化量表达式：ΔEk＝12Mv2D－12Mv2B＝12M·(x3＋x42T)2－12M(x1＋x22T)2.根据题述，砂和砂桶的总质量远小于小车质量，小车所受合外力等于砂和砂桶的总重力，即为mg，小车从B到D，合外力做的功的表达式为W＝mg(x2＋x3)．菜单高三总复习·物理章末检测卷【答案】(1)平衡摩擦力(2)x1＋x22T12M(x3＋x42T)2－12M(x1＋x22T)2mg(x2＋x3)菜单高三总复习·物理章末检测卷【反思总结】探究动能定理实验的关键点：如果探究过程中需要计算做功的多少，则操作过程中必须平衡摩擦力，小车质量必须远大于砂和砂桶的质量之和．探究动能定理实验分析处理纸带的重点是测量两个选定点之间的距离，计算出合外力做的功；计算选定的两个点的瞬时速度，分别得出相应的两点的动能．菜单高三总复习·物理章末检测卷[学以致用]1．某同学用如图所示的装置来探究自由落体运动．(1)下列有关操作的叙述正确的是()图4菜单高三总复习·物理章末检测卷A．安装打点计时器时要注意让上下限位孔在同一竖直线上B．将打点计时器与直流低压电源连接C．释放纸带时应尽量让重物靠近打点计时器D．应先释放纸带，然后接通电源菜单高三总复习·物理章末检测卷(2)实验得到一条纸带，测得各点之间的距离如图4所示．已知电源频率为50Hz，则纸带中相邻两点间的时间间隔是__________s．从该纸带可知，重物是做__________(选填“匀速”、“匀变速”、“非匀变速”)运动，加速度大小a＝__________m/s2(保留三位有效数字)．【答案】①AC②0.02匀变速9.63菜单高三总复习·物理章末检测卷2．某同学利用图5甲所示的实验装置做研究匀变速直线运动的实验．①按住小车，在小吊盘中放入适当质量的物块．释放小车，小车由静止开始甲运动．图5②按实验要求正确装上纸带，让小车靠近打点计时器，按住小车，打开打点计时器电源，释放小车，获得一条带有点迹的纸带．菜单高三总复习·物理章末检测卷③在获得的纸带上清晰的部分，每5个间隔标注一个计数点，并分别标注为A、B、C、….测量相邻计数点的间距s1、s2、s3、….并将其记录在纸带上对应的位置处．完成下列填空：(1)已知实验装置中打点计时器所用的电源是频率为50Hz的低压交流电源，若打点的时间间隔用Δt表示，则Δt＝__________s.(2)图5乙为用刻度尺测量所得纸带上的s1、s2、s3和s4的情况，a可用s1、s4和Δt表示为a＝__________；vB可用s1、s2和Δt表示为vB＝__________.菜单高三总复习·物理章末检测卷(3)由图乙可读出s1＝__________cm，s2＝__________cm，s4＝__________cm.由此求得加速度的大小a＝__________m/s2，vB＝__________m/s(计算结果取3位有效数字)．乙图5菜单高三总复习·物理章末检测卷【解析】(1)打点的时间间隔Δt＝1/f＝1/50s＝0.02s.(2)由逐差法和Δs＝aT2，T＝5Δt得s4－s1＝3a(5Δt)2，解得a＝s4－s175Δt2.根据做匀变速直线运动的物体在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得vB＝s1＋s22×5Δt＝s1＋s210Δt.菜单高三总复习·物理章末检测卷(3)根据刻度尺的读数规则可知，s1＝2.58cm－0.90cm＝1.68cm，s2＝5.00cm－2.58cm＝2.42cm，s4＝12.00cm－8.12cm＝3.88cm.加速度的大小a＝s4－s175Δt2＝0.733m/s2，打B点时的速度vB＝s1＋s210Δt＝0.205m/s.【答案】(1)0.02(2)s4－s175Δt2s1＋s210Δt(3)1.682.423.880.7330.205菜单高三总复习·物理章末检测卷3．某次“探究加速度a跟物体所受合力F和质量m的关系”的实验过程是：甲乙图6菜单高三总复习·物理章末检测卷(1)图6甲所示为实验装置图．图6乙为某次实验得到的一段纸带，计数点A、B、C、D、E间的时间间隔为0.1s，根据纸带可求出小车的加速度大小为__________m/s2.(结果保留两位有效数字)菜单高三总复习·物理章末检测卷(2)保持小车质量不变，改变砂和砂桶质量，进行多次测量．根据实验数据作出了加速度a随拉力F的变化图线，如图6丙所示．图中直线没有通过原点，其主要原因是_____．丙图6菜单高三总复习·物理章末检测卷(3)保持砂和砂桶质量不变，改变小车中砝码质量，进行多次测量，得到小车加速度a、质量m及其对应的1m的数据如表中所示：实验次12345678小车加速度a/(m·s－2)1.901.721.491.251.000.750.500.30小车和砝码质量(m/kg)0.250.290.330.400.500.711.001.671m/kg－14.003.453.032.502.001.411.000.60菜单高三总复习·物理章末检测卷a．请在坐标纸(图6丁)中画出a­1m图线；b．根据作出的a­1m图线可以得到的结论是__________．丁图6菜单高三总复习·物理章末检测卷【解析】(1)由图乙读得两计数点之间的距离，A、B两点之间的距离x1＝10.0mm；B、C两点之间的距离x2＝14.1mm；C、D两点之间的距离x3＝18.3mm；D、E两点之间的距离x4＝22.5mm；由Δx＝aT2和逐差法可得小车的加速度大小为a＝x3＋x4－x1－x24T2＝0.42m/s2.菜单高三总复习·物理章末检测卷(2)图中直线没有通过原点，其主要原因是实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足．图戊(3)a.用描点法，在坐标纸(图丁)中画出a­1m图线如图戊．b.图线为过原点的直线，表明在合外力一定时，加速度跟质量的倒数1m成正比，即加速度跟质量成反比．菜单高三总复习·物理章末检测卷【答案】(1)0.42(2)实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足(3)a.a­1m图线如图戊所示．b.在合外力一定时，加速度跟质量成反比菜单高三总复习·物理章末检测卷4．(1)在“探究恒力做功与动能变化量的关系”实验中，某同学采用如图7甲所示的装置进行实验，他想用钩码的重力表示小车受到的合外力，为了减小这种做法带来的实验误差，在器材的选用和调节上，除满足钩码的质量远远小于小车的质量外，还须满足的另一个要求是____________．甲图7菜单高三总复习·物理章末检测卷(2)如图7乙所示是某次实验中得到的一条纸带，其中A、B、C、D、E、F是依次选取的计数点，相邻计数点间的时间间隔为T