【物理】2019届一轮复习人教版 实验：研究匀变速直线运动 学案 9页

第1章 直线运动 第04讲 实验：研究匀变速直线运动 ‎【实验目的】‎ ‎1．练习使用打点计时器，学会用打点纸带研究小车的运动情况。‎ ‎2．会利用打点纸带求匀变速直线运动的速度、加速度。‎ ‎3．能画出小车运动的v－t图象，根据图象求加速度。‎ ‎【实验原理】‎ ‎1．打点计时器 ‎(1)作用 计时仪器，当所用交流电源的频率f＝50 Hz时，每隔0.02 s 打一次点。‎ ‎(2)工作条件 ‎①电磁打点计时器：6 V以下交流电源；‎ ‎②电火花计时器：220 V交流电源。‎ ‎(3)处理纸带数据时区分计时点和计数点 计时点是指打点计时器在纸带上打下的点。计数点是指测量和计算时在纸带上所选取的点，要注意“每5个点取一个计数点‘与’每隔4个点取一个计数点”取点方法是一样的，时间间隔均为0.1 s。‎ ‎2．匀变速直线运动的判断 ‎(1)若物体在连续相等时间T内的位移之差Δx为一恒量，即Δx＝aT2，则物体做匀变速直线运动。‎ ‎(2)利用“平均速度法”确定多个点的瞬时速度，作出物体运动的v t图象，若图象是一条倾斜的直线，则物体做匀变速直线运动。‎ ‎3．求物体瞬时速度的方法 如图所示：‎ 则vn＝。‎ ‎4．求物体加速度的方法 ‎(1)“逐差法”求加速度 如图所示：‎ a1＝，a2＝，a3＝，然后取平均值，即＝，这样使所给数据全部得到利用，以提高精确度。‎ ‎(2)“图象法”求加速度 求出纸带上各计数点的瞬时速度，画出v－t图线，直线的斜率即表示加速度。‎ ‎【实验器材】‎ 打点计时器、纸带、一端附有定滑轮的长木板、小车、细绳、钩码、刻度尺、电源、导线。‎ ‎【实验步骤】‎ ‎1．把附有滑轮的长木板放在实验桌上，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，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，并把它的一端固定在小车的后面。实验装置见图实Ⅰ－3所示，放手后，看小车能否在木板上平稳地加速滑行。‎ ‎3．把小车停在靠近打点计时器处，先接通电源，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的点，换上新纸带，重复三次。‎ ‎4．从几条纸带中选择一条比较理想的纸带，舍掉开始一些比较密集的点，在后面便于测量的地方找一个开始点，以后依次每五个点取一个计数点，确定好计数始点，并标明0、1、2、3、4、…，测量各计数点到0点的距离x，并记录填入表中。‎ 位置编号 ‎0‎ ‎1‎ ‎2‎ ‎3‎ ‎4‎ ‎5‎ 时间t/s x/m v/(m·s－1)‎ ‎5．计算出相邻的计数点之间的距离x1、x2、x3、…。‎ ‎6．利用一段时间内的平均速度等于这段时间中间时刻的瞬时速度求得各计数点1、2、3、4、5的瞬时速度，填入上面的表格中。‎ ‎7．增减所挂钩码数，再做两次实验。‎ ‎【数据处理及实验结论】‎ ‎1．由实验数据得出v－t图象 ‎(1)根据表格中的v、t数据，在平面直角坐标系中仔细描点，如图实Ⅰ－4可以看到，对于每次实验，描出的几个点都大致落在一条直线上。‎ ‎2．由实验得出的v－t图象进一步得出小车运动的速度随时间变化的规律 有两条途径进行分析：‎ ‎(1)小车运动的v－t图象是一条倾斜的直线如图所示，当时间增加相同的值Δt，速度也会增加相同的值Δv，由此得出结论：小车的速度随时间均匀变化。‎ ‎(2)作一条直线，使同一次实验得到的各点尽量落在这条直线上，落不到直线上的点，应均匀分布在直线的两侧，这条直线就是本次实验的v－t图象，它是一条倾斜的直线。‎ ‎【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v t图象并不是一条直线。‎ ‎5．木板的粗糙程度并非完全相同，这样测量得到的加速度只能是所测量段的平均加速度。‎ ‎【注意事项】‎ ‎1．交流电源的电压及频率要符合要求。‎ ‎2．开始释放小车时，应使小车靠近打点计时器。‎ ‎3．先接通电源，计时器工作后，再放开小车，当小车停止运动时及时断开电源。‎ ‎4．小车另一端挂的钩码个数要适当，避免速度过大而使纸带上打的点太少，或者速度太小，使纸带上的点过于密集。‎ ‎(2)既然小车的v－t图象是一条倾斜的直线，那么v随t变化的函数关系式为v＝kt＋b，所以小车的速度随时间均匀变化。‎ ‎5．选择一条理想的纸带，是指纸带上的点迹清晰。适当舍弃开头密集部分，适当选取计数点，弄清楚所选的时间间隔T。‎ ‎6．测x时不要分段测量，读数时要注意有效数字的要求，计算a时要注意用逐差法，以减小误差。‎ 过关检测 ‎1．某同学利用图甲所示的实验装置，探究物块在水平桌面上的运动规律．物块在重物的牵引下开始运动，重物落地后，物块再运动一段距离停在桌面上（尚未到达滑轮处）．从纸带上便于测量的点开始（其中第“1”点先打下），每5个点取1个计数点，相邻计数间的距离如图乙所示．打点计时器电源的频率为50Hz．‎ ‎①通过分析纸带数据，可判断物块在两相邻计数点____________和___________之间某时刻开始减速．‎ ‎②计数点9对应的速度大小为______________________．（保留2位有效数字）‎ ‎③物块减速运动过程中加速度的大小为a=_______________．（保留2位有效数字）‎ ‎④物块在加速阶段，如果以（其中s表示位移，t表示时间)为纵坐标、以t为横坐标作图象，得到图象的斜率为k，则加速度大小为_______（用字母符号表示）．‎ ‎2．某同学利用如图所示的实验装置来测量重力加速度g。细绳跨过固定在铁架台上的轻质滑轮，两端各悬挂一只质量为M的重锤。实验操作如下：‎ ‎①用米尺量出重锤1底端距地面的高度H；‎ ‎②在重锤1上加上质量为m的小钩码；‎ ‎③左手将重锤2压在地面上，保持系统静止。释放重锤2，同时右手开启秒表，在重锤1落地时停止计时，记录下落时间；‎ ‎④重复测量3次下落时间，取其平均值作为测量值t。‎ 请回答下列问题：‎ ‎（1）步骤④可以减小对下落时间t测量的_______（选填“偶然”或“系统”）误差。‎ ‎（2）实验要求小钩码的质量m要比重锤的质量M小很多，主要是为了________。‎ A．使H测得更准确 B．使重锤1下落的时间长一些 C．使系统的总质量近似等于2M D．使细绳的拉力与小钩码的重力近似相等 ‎（3）滑轮的摩擦阻力会引起实验误差。现提供一些橡皮泥用于减小该误差，可以在重锤1上粘上橡皮泥，调整橡皮泥质量直至轻拉重锤1能观察到其________下落。‎ ‎（4）使用橡皮泥改进实验后，重新进行实验测量，并测出所用橡皮泥的质量为m0。用实验中的测量量和已知量（M、H、m、m0、t）表示g，则g＝_________。‎ ‎3．用图1所示的实验装置研究小车速度随时间变化的规律。‎ 主要实验步骤如下：‎ a．安装好实验器材。接通电源后，让拖着纸带的小车沿长木板运动，重复几次。‎ b．选出一条点迹清晰的纸带，找一个合适的点当作计时起点O（t=0），然后每隔相同的时间间隔T选取一个计数点，如图2中A、B、C、D、E、F……所示。‎ c．通过测量、计算可以得到在打A、B、C、D、E……点时小车的速度，分别记作v1、v2、v3、v4、v5……‎ d．以速度v为纵轴、时间t为横轴建立直角坐标系，在坐标纸上描点，如图3所示。‎ 结合上述实验步骤，请你完成下列任务：‎ ‎（1）在下列仪器和器材中，还需要使用的有____________和___________(填选项前的字母)。‎ A．电压合适的50 Hz交流电源 B．电压可调的直流电源 C．刻度尺 D．秒表 E．天平(含砝码)‎ ‎（2）在图3中已标出计数点A、B、D、E对应的坐标点，请在该图中标出计数点C对应的坐标点，并画出 v-t图像_____________。‎ ‎（3）观察v-t图像，可以判断小车做匀变速直线运动，其依据是___________。v-t图像斜率的物理意义是______________________。‎ ‎（4）描绘v-t图像前，还不知道小车是否做匀变速直线运动。用平均速度表示各计数点的瞬时速度，从理论上讲，对△t的要求是______（选填“越小越好”或“与大小无关”)；从实验的角度看，选取的△x大小与速度测量的误差______(选填“有关”或“无关”)。‎ ‎（5）早在16世纪末，伽利略就猜想落体运动的速度应该是均匀变化的。当时只能靠滴水计时，为此他设计了如图4所示的“斜面实验”，反复做了上百次，验证了他的猜想。请你结合匀变速直线运动的知识，分析说明如何利用伽利略“斜面实验”检验小球的速度是随时间均匀变化的_____________________。‎ ‎4．甲、乙两同学利用打点计时器所记录的纸带来研究做匀变速直线运动小车的运动情况，‎ ‎(1)甲同学实验装置如图（a）所示，打点计时器的工作频率为50Hz．纸带上计数点的间距如图（b）所示，其中每相邻两点之间还有4个记录点未画出．则：‎ ‎①部分实验步骤如下：‎ A．测量完毕，关闭电源，取出纸带．‎ B．接通电源，打点计时器工作．‎ C．放开小车 D．将小车停靠在打点计时器附近，小车尾部与纸带相连．‎ E．把打点计时器固定在夹板上，让纸带穿过限位孔．‎ 上述实验步骤的正确顺序是：________________（用字母填写）．‎ ‎②图（b）中打A点时小车运动的速度vA=__________m/s ‎③图（b）中小车运动的加速度a=____________m/s2．‎ ‎④若电源频率低于50赫兹时，仍按相邻两个计数点时间间隔为0.10s计算，则测出小车的加速度__________（选填“偏大”、“不变”或“偏小”）．‎ ‎(2)乙同学“研究匀变速直线运动”实验中获得的一条纸带如图（c）所示，O、A、B、C、D和E 为纸带上六个计数点．加速度大小用a表示．图（d）是根据实验数据绘出的x-t2图线（x为各计数点至同一起点的距离），斜率表示__________ (用a表示) ，其大小为___________m/s2（ 结果均保留两位有效数字）．‎ ‎5．某同学用打点计时器研究小车的匀变速直线运动，他将打点计时器接到频率为的交流电源上，实验时得到一条纸带如下图，他在纸带上便于测量的地方选取第一个计数点，在这点下标明，第六个点下标明，第十一个点下标明，第十六个点下标明，第二十一个点下标明.测量时发现点已模糊不清，他只测得长为， 长为， 长为.‎ ‎(1)为了探究匀变速直线运动的规律，该同学所取的计时点个数_______(填字母序号)‎ A．偏少 B．偏多 C．合适 ‎(2)若小车是做匀变速直线运动，由该同学所测的实验数据，请你帮他求出：小车的加速度_______，‎ 点时小车的瞬时速度_______.(计算结果保留三位有效数字)‎ ‎6．某实验小组利用光电计时器验证牛顿第二定律，装置如图甲，让小物块从倾斜气垫导轨顶端滑下，若光电计时器记录下小物块上的遮光板通过A，B光电门的时间分别为t1和t2，测得A，B之间的距离为L，导轨倾角为α，已知重力加速度为g.‎ ‎① 用螺旋测微器测量物块上遮光板的宽度d.如图乙，由此读出d=________ mm ‎② 实验需验证的关系式为____________(用实验测定的物理量对应的字母表示)‎ 参考答案 ‎1、【答案】 670.762.02k ‎2、【答案】 （1）偶然 （2）B （3）匀速 （4）‎ ‎3、【答案】 A C 如图所示：‎ 小车的速度随时间均匀变化 加速度 越小越好 有关 如果小球的初速度为0，其速度，那么它通过的位移x∝t2。因此，只要测量小球通过不同位移所用的时间，就可以检验小球的速度是否随时间均匀变化。‎ ‎4、【答案】 EDBCA 0.34 0.39 偏大 0.47‎ ‎5、【答案】 2.58 0.470‎ ‎6、【答案】 ①5.700 ②‎