高考物理实验一--研究匀变速直线运动

实验一研究匀变速直线运动一、实验目的1．练习正确使用打点计时器，学会利用打上点的纸带研究物体的运动。2．掌握判断物体是否做匀变速直线运动的方法(Δx＝aT2)。3．测定匀变速直线运动的加速度。二、实验器材______计时器(或电磁打点计时器)、一端附有的长木板、小车、纸带、细绳、钩码、、导线、电源、复写纸片。电火花滑轮刻度尺考点一实验原理与操作[典例1]某同学用如图实­1­1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、…。图实­1­1两种打点计时器的不同(1)电磁打点计时器使用6V以下低压50Hz交流电源，用振针打点，每隔0.02s打一次点。(2)电火花计时器使用220V50Hz交流电源，电火花打点，每隔0.02s打一次点。结合上述实验步骤，请你继续完成下列任务：(1)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，在下列的仪器和器材中，必须使用的有________。(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．秒表D．刻度尺E．天平F．重锤G．弹簧秤H．滑动变阻器AD(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_______________。匀变速直线运动的判断连续相等时间内的位移之差为恒量，即x2－x1＝x3－x2＝x4－x3＝…＝恒量，物体做匀变速直线运动。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＋12T。x3－x2＝x2－x1x2＋x310t(3)如果小车做匀加速直线运动，测出前六段相等时间内的位移分别为x1、x2、x3、x4、x5、x6，已知打点计时器打点的时间间隔是t，则小车的加速度a的表达式为：_______________________________a＝x4＋x5＋x6－x1＋x2＋x3225t2由纸带用逐差法求加速度即根据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＝x4－x13T2，a2＝x5－x23T2，a3＝x6－x33T2，再算出a1、a2、a3的平均值a＝a1＋a2＋a33＝13x4－x13T2＋x5－x23T2＋x6－x33T2＝x4＋x5＋x6－x1＋x2＋x39T2，即为物体的加速度。[题组突破]1．如图实­1­2所示，装置甲中挂有小桶的细线绕过定滑轮，固定在小车上；装置乙中橡皮筋的一端固定在导轨的右端，另一端系在小车上。一同学用装置甲和乙分别进行实验，经正确操作获得两条纸带①和②，纸带上的a、b、c…均为打点计时器打出的点。图实­1­2(1)任选一条纸带读出b、c两点间距离为________；(2)任选一条纸带求出c、e两点间的平均速度大小为_______，纸带①和②上c、e两点间的平均速度v①________v②(填“大于”“等于”或“小于”)；(3)下列说法正确的是________(填选项字母)。A．两条纸带均为用装置甲实验所得B．两条纸带均为用装置乙实验所得C．纸带①为用装置甲实验所得，纸带②为用装置乙实验所得D．纸带①为用装置乙实验所得，纸带②为用装置甲实验所得解析2．某同学用图实­1­3所示装置探究小车做匀变速直线运动的规律，他采用电火花计时器进行实验。图实­1­3(1)请在下面列出的实验器材中，选出本实验中不需要的器材填在横线上(填编号)________。①电火花计时器②天平③低压交流电源④细绳和纸带⑤砝码、托盘和小车⑥刻度尺⑦秒表⑧一端带有滑轮的长木板(2)搭建好实验装置后，先________，再________。纸带被打出一系列点，其中一段如图实­1­4所示，可知纸带的________(填“左”或“右”)端与小车相连。(3)如图实­1­4所示的纸带上，A、B、C、D、E为纸带上所选的计数点，相邻计数点间时间间隔为0.1s，则vB＝________m/s，a＝________m/s2。图实­1­4解析考点二数据处理与误差分析[典例2]如图实­1­5所示，是某同学由打点计时器得到的表示小车运动过程的一条清晰纸带，纸带上两相邻计数点间还有四个点没有画出，打点计时器打点的频率f＝50Hz，其中x1＝7.05cm、x2＝7.68cm、x3＝8.33cm、x4＝8.95cm、x5＝9.61cm、x6＝10.26cm。图实­1­5计时间隔的计算(1)打点周期T0＝1f＝0.02s，与计时间隔不一定相同。(2)两计数点间有四个点没有画出，计时间隔T＝5T0＝0.1s。(1)下表列出了打点计时器打下B、C、F时小车的瞬时速度，请在表中填入打点计时器打下D、E两点时小车的瞬时速度。(保留三位有效数字)位置BCDEF速度(m·s－1)0.7370.8010.994瞬时速度的计算和有效数字1瞬时速度用公式vn＝xn＋xn＋12T来计算。2有效数字的位数是从左侧第1个不为零的数开始数直到右侧最后1位为止。0.8640.928(2)以A点为计时起点，在坐标图实­1­6中画出小车的速度—时间图线。图实­1­6利用图像处理数据的方法(1)根据表中数据在vt坐标系中准确描出各点。(2)用直线将各点连接起来，不在直线上的点尽量对称地分布在直线两侧。(3)注意图线是否过原点。(3)根据你画出的小车的速度—时间图线计算出小车的加速度a＝________m/s2。(保留两位有效数字)利用图像求解加速度的方法(1)vt图线的斜率即为物体的加速度。(2)为使结果更精确，应选两距离较远，读数较准确的两点。(3)a＝ΔvΔt，注意结果符合有效数字要求。0.63(4)如果当时电网中交变电流的频率是f＝49Hz，而做实验的同学并不知道，由此引起的系统误差将使加速度的测量值比实际值偏________。(选填“大”或“小”)实验误差分析1电网频率不稳引起实验系统误差。2测量数据不准及描点、连线作图不准引起偶然误差。大[题组突破]3．(2016·福州二模)某同学利用打点计时器测量福州的重力加速度，某次实验得到的一段纸带如图实­1­7所示，O、A、B、C、D为相邻的五个点，测得OA＝5.5mm，OB＝14.9mm，OC＝28.3mm，OD＝45.2mm，打下相邻两个点间的时间间隔为0.02s。图实­1­7(1)用逐差法算出福州的重力加速度g＝________m/s2。(结果保留三位有效数字)(2)通过查阅资料发现福州的重力加速度标准值为9.79m/s2，比较(1)的结果发现两者并不相等，除了读数误差外，你认为产生误差的其他主要原因可能是_______________。(只要求写出一种原因)解析4．在“研究匀变速直线运动”的实验中，打点计时器使用的交流电源的频率为50Hz，记录小车运动情况的纸带如图实­1­8所示，在纸带上选择6个计数点A、B、C、D、E、F，相邻两计数点之间还有四个点未画出，各点到A点的距离依次是2.0cm、5.0cm、9.0cm、14.0cm、20.0cm。图实­1­8(1)根据学过的知识可以求出小车在打点计时器打B点时的速度为vB＝_______m/s，C、E间对应的平均速度为________m/s。(2)以打B点时为计时起点，建立v­t坐标系如图实­1­9所示，请在图中作出小车运动的速度与时间的关系图线。图实­1­9(3)根据图线可得小车运动的加速度为________m/s2。解析考点三实验的改进与创新[典例3](2016·张掖第一次诊断)物理小组的同学用如图实­1­10所示的实验器材测定重力加速度，实验器材有：底座、带有标尺的竖直杆、光电门1和2组成的光电计时器(其中光电门1更靠近小球释放点)，小球释放器(可使小球无初速释放)、网兜。实验时可用两光电门测量小球从光电门1运动至光电门2的时间t，并从竖直杆上读出两光电门间的距离h。图实­1­10实验器材的创新(1)光电门与计时器相连可以测出小球通过光电门的时间Δt，由于Δt很短，从而可用v＝dΔt求出小球通过光电门的瞬时速度。(2)两光电门同时与计时器相连，可测出小球在两光电门间运动的时间。(1)使用游标卡尺测量小球的直径如图实­1­11所示，则小球直径为________cm。图实­1­111.180(2)改变光电门1的位置，保持光电门2的位置不变，小球经过光电门2的速度为v，不考虑空气阻力，小球的加速度为重力加速度g，则h、t、g、v四个物理量之间的关系为h＝________。vt－12gt2实验原理的创新小球从光电门1到光电门2做匀加速直线运动，因小球释放点和光电门2的位置不变，故小球经过光电门2的速度v不变，小球由光电门2逆向运动到光电门1的过程为匀减速直线运动。(3)根据实验数据作出ht­t图线，若图线斜率的绝对值为k，根据图线可求出重力加速度大小为________。2k数据处理方法的创新本实验利用“化曲为直”思想，将h­t的非线性关系，转化为ht­t的线性关系，描点作图，由图线的斜率确定重力加速度大小。另外，还可以从以下两个方面创新：(1)用小球经过光电门1的时间Δt1和小球经过光电门2的时间Δt2，确定小球经过光电门1和光电门2的速度，v1＝dΔt1，v2＝dΔt2，利用v2－v1＝gt即可求重力加速度g的大小。(2)将光电门1移至小球释放点，移动光电门2，调整高度h，则h＝12gt2，做出h­t2图线，可由k＝g2确定重力加速度g的大小。[题组突破]5．(2014·全国卷)现用频闪照相方法来研究物块的变速运动。在一小物块沿斜面向下运动的过程中，用频闪相机拍摄的不同时刻物块的位置如图实­1­12所示。拍摄时频闪频率是10Hz；通过斜面上固定的刻度尺读取的5个连续影像间的距离依次为x1、x2、x3、x4。已知斜面顶端的高度h和斜面的长度s。数据如下表所示。重力加速度大小g＝9.80m/s2。图实­1­12单位：cmx1x2x3x4hs10.7615.0519.3423.6548.0080.00根据表中数据，完成下列填空：(1)物块的加速度a＝________m/s2(保留3位有效数字)。(2)因为________________________，可知斜面是粗糙的。解析6．(2016·余姚模拟)用如图实­1­13所示实验装置可以测量重力加速度，经正确操作后得到一条纸带，在纸带上选择0、1、2、3、4、5、6七个测量点，相邻两测量点的时间间隔为0.04s，测量出后面各测量点到0测量点的距离d，记入下表中，对这些数据进行处理后便可测得重力加速度值。图实­1­13测量点0123456d/cm01.204.168.6014.5021.9030.85时间t/s00.040.080.120.160.200.2400.300.520.720.911.101.29dt/(m·s－1)图实­1­14(1)甲同学的处理方法是：计算出1、5两点对应的速度v1、v5，然后由g＝v5－v1Δt算得g值，则其中v5＝________m/s(结果保留三位有效数字)。(2)乙同学的处理方法是：计算出dt的值(已记入表中)，作出dt­t图像，由图像算得g值。请你按以下要求完成乙同学的处理过程。①在提供的坐标纸上图实­1­14作出规范的dt­t图像。②在图像上用符号“×”标出你用于计算g值所选择的点。③根据图像求得g＝________m/s2(结果保留三位有效数字)。(3)实验测得的g值，你认为应选________(填“甲的值”或“乙的值”或“都可以”)。解析7．在暗室中用如图实­1­15所示装置做“测定重力加速度”的实验。实验器材有：支架、漏斗、橡皮管、尖嘴玻璃管、螺丝夹子、接水铝盒、一根荧光刻度的米尺、频闪仪。具