2021届高考物理一轮复习 第1章 运动的描述 匀变速直线运动 实验1 测量做直线运动物体的瞬时速度

第一章运动的描述匀变速直线运动实验一测量做直线运动物体的瞬时速度2一、实验目的1．练习正确使用打点计时器，学会利用纸带上的点测瞬时速度。2．研究物体做匀变速直线运动的规律，会利用纸带计算匀变速直线运动的加速度。3二、实验原理1．打点计时器原理42．用“平均速度法”求速度瞬时速度无法直接测量，因此根据极限的思想，要测量某点的瞬时速度，可通过测量对应的很短时间内的平均速度来测瞬时速度。在公式v＝ΔxΔt中，当Δt→0时v是瞬时速度。53．加速度的求解方法(1)“逐差法”求加速度，然后取平均值。(2)“图象法”求加速度，即求出多个点的速度，画出v­t图象，直线的斜率即加速度。三、实验器材电火花计时器(或电磁打点计时器)、一端附有定滑轮的长木板、小车、纸带、细绳、钩码、刻度尺、导线、交流电源、复写纸。6四、实验步骤1．把带有滑轮的长木板平放在实验桌上(如图所示)。72．把打点计时器固定在长木板的一端，将纸带穿过打点计时器限位孔。3．将小车停在靠近打点计时器的位置，用细绳一端连小车，另一端挂上适当的钩码。4．先接通电源，后释放小车，让小车拖着纸带运动打点，小车停止运动后立即关闭电源。5．换上新的纸带，重复实验两次。8五、数据处理1．处理的方法(1)根据极限思想求瞬时速度：在公式v＝ΔxΔt中，当Δt→0时，v是瞬时速度。(2)匀变速直线运动中利用平均速度求瞬时速度：vn＝xn－1＋xn2T。9(3)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，利用逐差法求解平均加速度(如图所示)，a1＝x4－x13T2，a2＝x5－x23T2，a3＝x6－x33T2⇒a＝a1＋a2＋a33。(4)利用速度—时间图象求加速度，作出速度—时间图象，通过图象的斜率求解物体的加速度。102．依据纸带判断物体是否做匀变速直线运动(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间隔内的位移差：Δx1＝x2－x1，Δx2＝x3－x2，…。(3)T是相邻两计数点间的时间间隔：T＝0.02ns(打点计时器的频率为50Hz，n为两计数点间计时点的间隔数)。11(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：只要小车做匀变速直线运动，它在任意两个连续相等的时间间隔内的位移之差就一定相等。12六、误差分析(1)根据纸带测量的位移有误差。(2)电源频率不稳定，造成相邻两点的时间间隔不完全相等。(3)纸带运动时打点不稳定引起测量误差。(4)用作图法作出的v­t图象并不是一条直线。13七、注意事项(1)平行：纸带、细绳要和长木板平行。(2)两先两后：实验中应先接通电源，后放开小车；实验完毕应先断开电源，后取纸带。(3)防止碰撞：在小车到达长木板末端前应让小车停止运动，防止钩码落地和小车与滑轮相撞。14(4)减小误差：小车的加速度宜适当大些，可以减小长度的测量误差产生的影响，加速度大小以能在约50cm的纸带上清楚地取出6～7个计数点为宜。152实验考向突破多维16实验原理与操作1．打点计时器要求：电磁打点计时器用“4～6V,50Hz”交流电源，电火花计时器用“220V,50Hz”交流电源。2．本实验操作顺序提示：木板—计时器—小车—通电—断电。3．考查操作的热点问题是：先通电再放小车，先断电再取纸带。17[题组训练]1．在探究小车速度随时间变化的规律的实验中，用打点计时器在纸带上打的点记录了小车的运动情况。某同学做此实验时的步骤如下：A．拉住纸带，将小车移至靠近打点计时器处，放开纸带，再接通电源；B．将打点计时器固定在长木板上，并接好电路；18C．把一条细绳拴在小车上，细绳跨过定滑轮，下面挂上适当的钩码；D．小车停止运动后，直接取下纸带；E．将纸带固定在小车尾部，并穿过打点计时器的限位孔；F．换上新纸带，再重复操作两次，然后从各纸带中选取一条点迹清晰的进行数据处理。19其中错误或遗漏的步骤有：(1)__________________________________________________；(2)__________________________________________________。将以上步骤完善后，其合理的顺序为____________________________________________________________________________________________________________。20[解析]实验过程中应先接通电源，再放开纸带；取纸带前应先断开电源，所以错误的步骤是A、D。该实验步骤中合理的顺序为BECADF。[答案](1)A中应先接通电源，再放开纸带(2)D中取纸带前应先断开电源BECADF212．(1)某同学用电磁打点计时器测匀变速直线运动的加速度，电磁打点计时器的工作电源为________。A．220V的交流电B．6V以下的交流电C．220V的直流电D．6V以下的直流电22(2)实验中打点计时器每隔0.02s打一个点，打出的纸带如图所示，则可大致判断小车做________(选填“匀速”或“匀变速”)直线运动，这是因_________________________；计算小车的加速度大小a＝________m/s2(保留两位有效数字)。23[解析](1)电磁打点计时器的工作电源为6V以下的交流电，选项B正确。(2)根据打出的纸带中两个连续相等的时间间隔内的位移之差恒定，可大致判断小车做匀变速直线运动。利用Δx＝aT2，T＝5×0.02s＝0.1s，可得小车的加速度大小a＝0.30m/s2。[答案](1)B(2)匀变速两个连续相等的时间间隔内的位移之差恒定0.3024数据处理与误差分析1．计算时应注意的问题(1)时间间隔：“相邻两个计数点间有4个点”或“每5个点取1个计数点”的含义：相邻计数点间的时间间隔为0.1s。(2)单位换算：本实验长度测量数据一般是“厘米”，要换算成“米”。(3)有效数字：按有效数字的要求取计算结果。252．减小实验误差的措施(1)舍弃点密集部分，适当选取计数点。(2)多测几组数据，用尽量多的数据计算。(3)将纸带分成等时的两大段处理，与逐差法取平均值结果相同。(4)作v­t图象时，要适当选取坐标轴的单位长度，使图象分布在坐标平面尽量大的面积上。26[题组训练]1．(2019·邯郸模拟)某同学在做“探究小车速度随时间变化的规律”的实验时，打点计时器所用电源的频率是50Hz，在实验中得到一条点迹清晰的纸带，他把某一点记作O，再依次选6个点作为计数点，分别标以A、B、C、D、E和F，如图甲所示。27甲乙28(1)由实际的纸带测得C、D两点相距2.70cm，D、E两点相距2.90cm，则在打D点时小车的速度是________m/s。(2)该同学分别算出打各点时小车的速度，然后根据数据在v­t坐标系中描好点，请在图乙中作出小车的v­t图象，并求出小车的加速度a＝________m/s2。29[解析](1)vD＝|CD|＋|DE|2T＝1.4m/s。(2)v­t图象如图所示。由图象的斜率知a＝ΔvΔt＝5m/s2。[答案](1)1.4(2)如图所示5302．在做“研究匀变速直线运动”的实验时，某同学得到一条用打点计时器打下的纸带如图所示，并在其上取A、B、C、D、E、F、G7个计数点，每相邻两个计数点间还有4个点，图中没有画出，打点计时器接周期为T＝0.02s的交流电源。他经过测量并计算得到打点计时器在打B、C、D、E、F各点时物体的瞬时速度如下表：31速度/(m·s－1)0.1220.1640.2050.2500.289对应点BCDEF(1)计算vF的公式为vF＝________(用已知量字母表示)。(2)根据表中记录的数据，以A点对应的时刻为t＝0，可作出v­t图象，并求物体的加速度a＝________m/s2。(3)如果当时电网中交变电流的频率是f＝51Hz，而做实验的同学并不知道，那么加速度的测量值与实际值相比________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。32[解析](1)每相邻两个计数点间还有4个点，故相邻的计数点之间的时间间隔为t＝5T＝0.1s。利用匀变速直线运动的推论得vF＝xEG2t＝d6－d410T。(2)作出v­t图象(图象略)，根据图线斜率可解得a＝ΔvΔt≈0.42m/s2。33(3)如果在某次实验中，交流电的频率为51Hz50Hz，则实际打点周期变小，由Δx＝at2得，加速度的测量值与实际值相比偏小。[答案](1)d6－d410T(2)0.42(3)偏小34实验拓展与创新高考实验题一般源于教材而不拘泥于教材，即所谓情境新而知识旧。因此做实验题应注重迁移创新能力的培养，用教材中实验的原理、方法和技巧处理新问题，本实验中有以下创新点。35实验原理的创新(a)(b)1．滑块在斜面上靠重力的分力与摩擦力的合力获得加速度。2．挡光片经过光电门的平均速度作为滑块速度。3．平均速度的大小与挡光片的长度有关。36实验原理的创新1．物块在斜面上靠重力的分力与摩擦力的合力获得加速度。2．由纸带确定物块的加速度。3．结合牛顿第二定律求动摩擦因数。37实验器材的创新1．用滴水针头替代打点计时器打纸带。2．小车在水平桌面上因摩擦做匀减速运动。38实验过程的创新1．铁球靠重力产生加速度。2．铁球由A到B的时间可由数字毫秒表读出。3．铁球的加速度由xt­t图象分析得出。39[题组训练]1．光电计时器也是一种研究物体运动情况的常用计时仪器，其结构如图甲所示，a、b分别是光电门的激光发射和接收装置，当有物体从a、b间通过时，光电计时器就可以精确地把物体从开始挡光到挡光结束的时间记录下来。图乙中MN是水平桌面，Q是长木板与桌面的接触点，1和2是固定在长木板适当位置的两个光电门，与之连接的两个光电计时器没有画出，长木板顶端P点悬有一铅锤，40实验时，让滑块从长木板的顶端滑下，光电门1、2各自连接的计时器显示的挡光时间分别为1.0×10－2s和4.0×10－3s。用精度为0.05mm的游标卡尺测量滑块的宽度d，其示数如图丙所示。41甲乙丙42(1)滑块的宽度d＝________cm。(2)滑块通过光电门1时的速度v1＝________m/s，滑块通过光电门2时的速度v2＝________m/s。(结果保留两位有效数字)(3)由此测得的瞬时速度v1和v2只是一个近似值，它们实质上是滑块通过光电门1和2时的________，要使瞬时速度的测量值更接近于真实值，可将________的宽度减小一些。43[解析](1)d＝10mm＋0.05mm×2＝10.10mm＝1.010cm。(2)v1＝dt1＝1.010×10－21.0×10－2m/s＝1.0m/sv2＝dt2＝1.010×10－24.0×10－3m/s＝2.5m/s。(3)v1、v2实质上是滑块通过光电门1和2时的平均速度，要使瞬时速度的测量值更接近于真实值，可将滑块的宽度减小一些。[答案](1)1.010(2)1.02.5(3)平均速度滑块442．某探究小组为了研究小车在桌面上的直线运动，用自制“滴水计时器”计量时间。实验前，将该计时器固定在小车旁，如图(a)所示。实验时，保持桌面水平，用手轻推一下小车。在小车运动过程中，滴水计时器等时间间隔地滴下小水滴，图(b)记录了桌面上连续的6个水滴的位置。(已知滴水计时器每30s内共滴下46个小水滴)45(a)(b)46(1)由图(b)可知，小车在桌面上是________(选填“从右向左”或“从左向右”)运动的。(2)该小组同学根据图(b)的数据判断出小车做匀变速运动。小车运动到图(b)中A点位置时的速度大小为________m/s，加速度大小为________m/s2。(结果均保留两位有效数字)47[解析](1)小车运动时由于摩擦力的作用，速度逐渐减小，滴水计时器滴下水滴的间距逐渐变小，因此小车从右向左运动。(2)滴水的时间间隔T＝3