實驗一研究勻變速直線運動—2021高中物理一輪復習學案

1、實驗一研究勻變速直線運動SZHI SHI SHU LI ZI CE GONG GU知識梳理自測鞏固一、實驗?zāi)康? .練習正確使用打點計時器2 .會計算紙帶上各點的瞬時速度3 .會利用紙帶計算加速度4 .會用圖象法探究小車速度與時間的關(guān)系，并能根據(jù)圖象求加速度二、實驗原理1 .打點計時器：(1)作用：計時儀器，當所用交流電源的頻率f= 50 Hz時，每隔0.02 s打一次點。(2)工作條件：電磁打點計時器，6 V以下交流電源;電火花計時器，220 V交流電源。(3)處理紙帶數(shù)據(jù)時區(qū)分計時點和計數(shù)點：計時點是指打點計時器在紙帶上打下的點。計數(shù)點是指測量和計算時在紙帶上所選取的點，要注意“每5個點取

2、一個計數(shù)點”與“每隔4個點取一個計數(shù)點”取點方法是一樣的，時間間隔均為Q。2 .勻變速直線運動的判斷：(1)沿直線運動的物體在連續(xù)相等時間T內(nèi)的位移分別為 X1、X2、X3、X4，若Ax=X2 X1= X3X2= X4X3=則說明物體在做勻變速直線運動，且Ax=aT2°(2)利用“平均速度法”確定多個點的瞬時速度，作出物體運動的vt圖象。若v t圖線是一條傾斜的直線，則說明物體的速度隨時間均勻變化，即做勻變速直線運動。3 .由紙帶求物體運動速度的方法：根據(jù)勻變速直線運動某段時間中間時刻的瞬時速度Xn-b Xn+ 1等于這段時間內(nèi)的平均速度，Vn=xT。4 .利用紙帶求物體加速度的兩種

3、方法X5 X2X6 X3a2= 3T2，a3= 3T2 'X4 X1(1) “逐差法”，若為偶數(shù)段，如6段，則a1 = W3 Ia1+ a2+ a3然后取平均值 a =3口 rX4+X5+X6 X1+X2+X3即"9T2若為奇數(shù)段，則最小段往往不用，如5段，可不用第1段，轉(zhuǎn)換為偶數(shù)段。則 a =X4 + X5 X2 + X34T2(2)圖象法，先求出n個點的瞬時速度(一般要5點以上)，然后作出v t圖象，用vt 圖象的斜率求物體運動的加速度。三、實驗器材電火花計時器（或電磁打點計時器 卜一端附有滑輪的長木板、小車、紙帶、細繩、鉤碼、刻度尺、導線、交流電源、復寫紙。四、實驗步驟

4、1 .按照課本實驗原理圖所示實驗裝置，把打點計時器固定在長木板無滑輪的一端，接 好電源；2 .把一細繩系在小車上，細繩繞過滑輪，下端掛適量的鉤碼，紙帶穿過打點計時器， 固定在小車后面；3 .把小車?？吭诖螯c計時器處，先接通電源、后放開小車;4 .小車運動一段時間后，斷開電源，取下紙帶；5 .換紙帶反復做三次，選擇一條比較理想的紙帶進行測量分析。五、注意事項1 .平行：紙帶、細繩要和長木板平也2 .兩先兩后：實驗中應(yīng)先接通電源，后放開小車；實驗完畢應(yīng)先斷開電源，后取紙帶。3 .防止碰撞：在到達長木板末端前應(yīng)讓小車停止運動，防止鉤碼落地和小車與滑輪相撞。4 .減小誤差：小車的加速度宜適當大些，可以

5、減小長度的測量誤差，加速度大小以能在25 50 cm的紙帶上清楚地取出 67個計數(shù)點為宜。HE XIN KAO DIAN ZHONG DIAN TU PO核心考點重點突破* 考點一教材原型實驗* 例1 （2020天津七校聯(lián)考）用如圖甲所示的裝置探究勻變速直線運動的規(guī)律。實驗中，打點計時器所用交流電源的頻率為50 Hz,小車的一端通過跨過滑輪的細線與重錘相連，另一端與穿過打點計時器的紙帶相連。（1）為準確完成本實驗，必須滿足的條件是DoA.保持木板水平B .把長木板的右端墊起適當?shù)母叨纫云胶饽Σ亮.重錘的質(zhì)量要遠小于小車的質(zhì)量D.調(diào)整滑輪的高度使細線與長木板平行(2)某次實驗中打出的一條紙帶及

6、測量數(shù)據(jù)如圖乙所示，A、B、C、D、E每兩相鄰的計數(shù)點之間還有四個點未畫出。則本次實驗中(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)B點到。點的距離OB為27.0 cm。打下C點時小車的速度大小為 115 m/s。小車的加速度大小為 10 m/s2。解析本題考查探究勻變速直線運動的實驗注意事項及數(shù)據(jù)處理。(1)本實驗是探究勻變速直線運動的規(guī)律，只需要小車做勻變速直線運動即可，因此，需要調(diào)整滑輪的高度使細線與長木板平行，不需要保持木板水平， 不需要平衡摩擦力，不需要重錘的質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量，選項D正確，選項A、B、C錯誤。(2)由連續(xù)相等的時間內(nèi)位移之差相等得，OD OC (OC OB)=OC-OB- (OB O

7、A),解得 OB= 1(3OC + OAOD) = 1x (3X 38.0 cm+17.0 cm -50.0 cm) = 27.0 cm。 33一一一.，,1. . 電源的頻率為50 Hz,打點計時器打點的周期為T = f=0.02 s,相鄰兩計數(shù)點間的時間間隔t=5T = 0.1 s,由中間時刻的瞬時速度等于這段時間的平均速度知，打下 C點時小車小、土OD OB的速度大小VC= 2t0500 m 0.270 m2 0.1 s= 1.15 m/s.小車的加速度大小為_ CE - AC2t 2=1.0 m/s2。0630 m 0380 m 0380 m 0.170 m 2X 0.1 s2方法總結(jié)

8、:(1)速度的計算方法：根據(jù)中間時刻的速度等于這段時間內(nèi)的平均速度求解。(2)加速度的計算方法：若紙帶上給出的連續(xù)相等時間的位移為偶數(shù)段，則可將位移分為兩部分，根據(jù)逐差法求解；若紙帶上給出兩段不連續(xù)的位移，則根據(jù)Xn xm=(n m)aT2求解；若紙帶上給出的連續(xù)相等時間的位移為奇數(shù)段，一般去掉最短的一段，再用"逐差法"求解；若X2 X1= X3X2= X4X3=，則直接用 Ax= aT2求解。類題演練1(2019云南曲靖第一中學月考)用如圖甲所示的實驗裝置研究小車速度隨時間變化的規(guī) 律。主要實驗步驟如下：a.安裝好實驗器材，接通電源后，讓拖著紙帶的小車沿長木板運動，重復幾

9、次。b.選出一條點跡清晰的紙帶，找一個合適的點當作計時起點O(t=0),然后每隔四個點選取一個計數(shù)點，如圖乙中 A、B、C、D、E、F所示。乙通過測量、計算可以得到在打 A、B、C、D、E五點時小車的速度，以速度 v為縱軸、 時間t為橫軸建立直角坐標系，在坐標紙上描點，作出速度一時間圖象如圖丙所示。結(jié)合上述實驗步驟，請你完成下列任務(wù)：(1)在下列儀器和器材中，還需要使用的有A和C(填選項前的字母)。A .電壓合適的50 Hz交流電源B.電壓可調(diào)的直流電源C.刻度尺D.秒表E.天平(含祛碼)(2)根據(jù)速度一時間圖象可知，計數(shù)點 O對應(yīng)的小車速度為 01 m/s,小車運動的加速度 為 16 m/s

10、2。(3)紙帶中只標出了 O、A兩計數(shù)點的距離為 1.80 cm,計算可得A、B兩計數(shù)點的距離 為 3.40 cm。解析本題考查紙帶的使用，利用v-t圖象探究勻變速直線運動規(guī)律。(1)本實驗中使用的有電壓合適的50 Hz交流電源和刻度尺，不需要直流電源、停表和天平，故選A、Co，一一八 ，一、，、，_、，Av(2)由圖象可知，計數(shù)點 O對應(yīng)的小車速度為 0.1 m/s,小車運動的加速度為a=0.90.122m/s=1.6 m/s。(3)根據(jù) Ax=aT2可知 A、B 兩計數(shù)點的距離為 1.80 cm+1.6x 0.12x 102 cm = 3.40 cm。* 考點二實驗拓展創(chuàng)新從原理遷移和數(shù)據(jù)

11、處理技巧上進行創(chuàng)新1 .復習啟示高考實驗題一般源于教材而不拘泥于教材，是在教材實驗的基礎(chǔ)上創(chuàng)設(shè)新情景。因此,要在夯實基礎(chǔ)實驗的基礎(chǔ)上注意遷移創(chuàng)新能力的培養(yǎng),善于用教材中實驗的原理、方法和技巧處理新問題。2 .情景拓展電叫林及打點計時期密It3 .數(shù)據(jù)處理(1)加速度的獲得：靠重物的拉力獲得加速度一長木板傾斜靠重力獲得加速度。d和遮光片通過光電門的(2)速度的測量方法：由打點紙帶求速度一測定遮光片的寬度 擋光時間At,由v=求速度。(3)加速度的測量方法：由打點紙帶利用逐差法求加速度一利用經(jīng)過兩個光電門的瞬時速度，由速度位移關(guān)系式求加速度。*例2 (2019河北衡水中學調(diào)研)圖甲是一種測量重力加

12、速度的儀器結(jié)構(gòu)圖，條形重物塊（如圖乙）通過掛孔掛在夾物裝置上，釋放后穿過光電門下落到接物斗里，光電門與數(shù)字毫秒計相連，可記錄光電門被遮光的時間。物塊中間有可以遮蓋的窗口，如圖乙，測出掛孔下邊距物塊下端的距離為 Li,窗口下邊距物塊下端的距離為L2。實驗步驟如下：夾物裝置甲己關(guān)閉物塊中間的窗口，釋放物塊，使其自由下落，記錄光電門的遮光時間ti；將物塊從接物斗中取出，打開物塊中間的窗口， 重復步驟，記錄光電門第一次被遮 光的時間t2；重復上述實驗，多次記錄 ti和t2,測出g的值。完成下列填空：物塊在時間ti內(nèi)的平均速度為L1（用所測物理量的符號表示 ），該速度大L（填“大 于” “小于”或“等于

13、”）物塊在時間t2內(nèi)的平均速度。Li L2 2 ti t2-（2）重力加速度g的表達式為g= -j（用所測物理重的將萬表不）ti - t2解析本題考查利用光電門測量重力加速度g。Li（i）物塊長為Li,物塊通過光電門的時間為ti,則物塊在時間ti內(nèi)的平均速度 vi = %；物塊做初速度為零的勻加速直線運動，由于ti>t2,故物塊在ti秒末的速度大于在 t2秒末的一», i速度，由v=2v知，物體在時間ti內(nèi)的平均速度大于在時間t2內(nèi)的平均速度。（2）在步驟中，光電門第二次被遮光的時間約為tit2,物塊在t2秒末的速度為V2=2vLi L22 一 一2= %,物塊在ti秒末的速度

14、為 vi = 2 v i = ,重力加速度 g=。t2titi t2ti 12類題演練2（2020河北邢臺月考）某探究小組為了研究小車的直線運動，用自制的“滴水計時器”計量時間。實驗前，將該計時器固定在小車旁，如圖甲所示。實驗時，保持桌面水平，讓小車在外力的作用下運動一段時間，滴水計時器等時間間隔地滴下小水滴，圖乙記錄了桌面上連續(xù)6個水滴的位置及它們之間的距離。已知滴水計時器從滴出第 i個水滴開始計時，到滴出 第26個水滴共用了 10 s。結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字。水1牌包u小車 甲"1 9333IT*4*蹌 100 II -1 升15© g乙(1)水滴從滴到位置 1至滴到位

15、置6用時 20 so(2)小車運動過程的加速度大小為0.10 m/s2；水滴滴到位置5時，小車的速度大小為0.35m/s。解析本題考查利用水滴計時器研究勻變速直線運動。(1)滴水計時器從滴出第1個水滴開始計時，到滴出第26個水滴共用時10 s,則滴水周10期為T = s=0.4 s,所以水滴從滴到位置1至滴到位置6用時為t' =5X0.4 s= 2.0 s。(2)根據(jù) Ax=aT2可求得 a=150 + J3310083x 10 3 m/s2= 0.10 m/s2,根據(jù)勻變速直線 6X 0.4運動中間時刻的瞬時速度等于平均速度可求得水滴滴到位置5時，小車的速度大小為V5 =13Vn1；

16、0 X 10 3 m/s= 0.35 m/s。2 X 0.4二2 NIAN GAO KAO MO NI2年高考模擬訓練1 . (2019全國卷I , 22)某小組利用打點計時器對物塊沿傾斜的長木板加速下滑時的運 動進行探究。物塊拖動紙帶下滑，打出的紙帶一部分如圖所示。已知打點計時器所用交流電的頻率為50 Hz,紙帶上標出的每兩個相鄰點之間還有4個打出的點未畫出。在 A、B、C、D、E五個點中，打點計時器最先打出的是工點。在打出C點時物塊的速度大小為0.233m/s(保留3位有效數(shù)字)；物塊下滑的加速度大小為0.75 m/s2(保留2位有效數(shù)字)。0 I 2456789105111 1Abe口E

17、I解析物塊加速下滑，因此打點間距逐漸增大，故先打 A點。一、xbd 4.65X 10 2C 點 的速度 VC = 2T= -2. 0 1 m/s= 0.233 m/s由圖知xab = 1.20 cmxbc = xac xab = 1.95 cmxcd = xad xac = 2.70 cmxde = xae xad = 3.45 cm得 Ax= xbc xab = xcd xbc = xde xcd = aT2解得物塊下滑的加速度a= 0.75 m/s22 .(2019全國卷出)甲乙兩位同學設(shè)計了利用數(shù)碼相機的連拍功能測重力加速度的實驗。 實驗中，甲同學負責釋放金屬小球，乙同學負責在小球自由下

18、落的時候拍照。已知相機每間隔0.1 s拍1幅照片。(1)若要從拍得的照片中獲取必要的信息，在此實驗中還必須使用的器材是Ao (填正確答案標號)A.米尺B,秒表C.光電門D.天平(2)簡述你選擇的器材在本實驗中的使用方法。答：將米尺豎直放置，使小球下落時盡量靠近米尺。(3)實驗中兩同學由連續(xù)3幅照片上小球的位置 a、b和c得到ab= 24.5 cm、ac= 58.7 cm ,則該地的重力加速度大小為g = 9.7 m/s2。(保留2位有效數(shù)字)解析(1)利用頻閃照片測重力加速度時需要測量小球下落的距離，因此實驗時必須使用米尺。(2)將米尺豎直放置，小球靠近米尺下落，從照片上直接讀出小球下落的距離

19、。(3)根據(jù)As= gT2得重力加速度大小bc ab ac ab abg=T2=58.7 24.524.5 X 10 201m/s2= 9.7 m/s2。3. (2018北京理綜,21)用圖1所示的實驗裝置研究小車速度隨時間變化的規(guī)律。圖1主要實驗步驟如下:a.安裝好實驗器材，接通電源后，讓拖著紙帶的小車沿長木板運動，重復幾次。b.選出一條點跡清晰的紙帶，找一個合適的點當作計時起點O(t = 0),然后每隔相同的時間間隔T選取一個計數(shù)點，如圖 2中A、B、C、D、E、F所示。Cd4acTte1 *» fc.通過測量、計算可以得到在打A、B、C、D、E點時小車的速度，分別記作vi、V2

20、、 V3、 V4、 V53所示。d.以速度v為縱軸、時間t為橫軸建立直角坐標系，在坐標紙上描點，如圖結(jié)合上述實驗步驟，請你完成下列任務(wù):（1）在下列儀器和器材中，還需要使用的有A和C（填選項前的字母）。A,電壓合適的50Hz交流電源B.電壓可調(diào)的直流電源C.刻度尺D.秒表E.天平（含祛碼）（2）在圖3中已標出計數(shù)點 A、B、D、E對應(yīng)的坐標點，請在該圖中標出.計數(shù)點C對應(yīng) 的坐標點，并畫出 v-t圖象。答案如圖所示liE!EE!Hm «9 "iiEISliiEtiSn（3）觀察v-t圖象，可以判斷小車做勻變速直線運動，其依據(jù)是小車的諫度隨時間均勻變化=v-t圖象斜率的物理意

21、義是加速度。. &（4）描繪v-t圖象前，還不知道小車是否做勻變速直線運動。用平均速度表布各計數(shù)點的瞬時速度，從理論上講，對At的要求是越小越好（選填“越小越好”或“與大小無關(guān)”）;從實驗的角度看，選取的Ax大小與速度測量的誤差有J（選填“有關(guān)”或“無關(guān)”）。(5)早在16世紀末，伽利略就猜想落體運動的速度應(yīng)該是均勻變化的。當時只能靠滴水計時，為此他設(shè)計了如圖4所示的“斜面實驗”， 反復做了上百次，驗證了他的猜想。請你 結(jié)合勻變速直線運動的知識， 分析說明如何利用伽利略“斜面實驗”檢驗小球的速度是隨時 間均勻變化的。答案如果小球的初速度為 0,其速度V8W那么它通過的位移 X8t2。因

22、此，只要測 量小球通過不同位移所用的時間，就可以檢驗小球的速度是否隨時間均勻變化。解析(1)打點計時器使用的是交流電源，故選 A,不選B;相鄰打點間的時間是已知 的，故不選D;計數(shù)點間的距離需要用刻度尺測量，故選 C;由于不需要知道小車和重物的 質(zhì)量，故不需要天平(含祛碼)，故不選E。(2)連線時要讓盡量多的點在一條直線上。(3)可以依據(jù)v -t圖象是傾斜的直線(斜率一定)，即小車的速度隨時間均勻變化，判斷出 小車做勻變速直線運動；v -t圖象的斜率表示加速度。Ax. ，一一 .一一. Ax. ，一 .(4)嚴格地講，表小的是 At內(nèi)的平均速度，只有當At趨近于。時，才表不瞬時速度，因此若用 耆表示各計數(shù)點的瞬時速度，對At的要求是越小越好；從實驗的角度看，選取的Ax越小，用 第t算得到的平均速度越接近計數(shù)點的瞬時速度，但Ax過小，測量誤差增大，因此選取的 Ax大小與速度測量的誤差有關(guān)。(5)如果小球的初速度為 0,