版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研究匀变速直线运动教案.docx

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版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研究匀变速直线运动教案

实验一　研究匀变速直线运动

1．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。

2．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＝50Hz时，每隔0.02s打一次点。

②工作条件

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0.1s。

（2）匀变速直线运动的判断

①沿直线运动的物体在连续相等时间T内的位移分别为x1、x2、x3、x4…，若Δx＝x2－x1＝x3－x2＝x4－x3…，则说明物体在做匀变速直线运动，且Δx＝aT2。

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vt图象。

若vt图象是一条倾斜的直线，则说明物体的速度随时间均匀变化，即做匀变速直线运动。

3．实验器材

电磁打点计时器（或电火花计时器）、一端附有滑轮的长木板、小车、纸带、细绳、钩码、刻度尺、导线、交流电源、复写纸片。

4．实验步骤

（1）放长木板：

把带有滑轮的长木板平放在实验桌上（如图所示）。

（2）定打点计时器：

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）挂钩码：

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）打点：

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）重复：

换上新的纸带，重复实验两次。

5．数据处理

（1）计算速度

根据中间时刻的瞬时速度等于这段时间的平均速度，求各计数点瞬时速度：

vA＝

，vB＝

，vC＝

等。

（2）作vt图象

建立直角坐标系，横轴表示时间，纵轴表示速度，根据数据描点。

画一条直线，让这条直线通过尽可能多的点，不在线上的点均匀分布在直线的两侧，偏差比较大的点舍去。

（3）计算加速度

方法一：

根据a＝

，先求出各点的速度，作出vt图象，计算图线的斜率即加速度。

方法二：

根据a＝

，将纸带数据分成时间相等的两大段，设图中相邻计数点的时间间隔是T，则a＝

。

6．注意事项

（1）使纸带、小车、细绳和定滑轮在一条直线上。

（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，计时器工作稳定后，再释放小车，当小车停止运动时及时断开电源。

（4）实验时要防止钩码落地，小车与滑轮碰撞。

（5）选择一条点迹清晰的纸带，舍弃点密集部分，适当选取计数点。

（6）在画图象时，注意坐标轴单位长度的选取，使图象分布在坐标平面的大部分面积上。

使图象中的点尽量均匀分布在图线两侧。

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。

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；

C．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。

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

_______________________________________________________

_____________________________________________________。

[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　BECADF

2．（2019·沭阳县修远中学高三月考）某同学用如图所示装置测定重力加速度的大小，已知打点的频率为50Hz，请回答：

（1）除打点、纸带、重物、铁架台、夹子、导线及开关外，在下面的器材中，还必须使用的有________（填选项代号）。

A．电压为6V以下的交流电源

B．电压为220V的交流电源

C．刻度尺

D．秒表

（2）打出的纸带如图所示，可以判断实验时重物连接在纸带的________端（选填“左”或“右”）。

（3）已知纸带上记录的点为打点计时器连续打的点，打点计时器在打C点时物体的瞬时速度大小为________m/s，所测得的重力加速度大小为________m/s2。

（结果均保留三位有效数字）

[解析]　

（1）电磁打点计时器需要低压交流电源，故A正确，B错误；打出的纸带需要刻度尺测量计数点间的距离，所以需要刻度尺，故C正确；打点计时器本身就是一种计时仪器，所以不需要秒表，故D错误。

（2）因为纸带做加速运动，所以打出的点间的距离会越来越大，所以重物连接在纸带的左端。

（3）相邻计数点间的时间间隔为0.02s，匀变速直线运动中，平均速度等于中间时刻的瞬时速度，故C点速度等于AE段平均速度，故

vC＝

＝

m/s＝1.17m/s

根据公式Δx＝gT2得，即

g＝

代入数据可得

g＝

m/s2＝9.75m/s2。

[答案]　

（1）AC　

（2）左　（3）1.17　9.75

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。

2．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。

1．（2019·江苏如皋模拟）某同学在做“研究匀变速直线运动”的实验中，由打点计时器得到表示小车运动过程的一条清晰纸带，纸带的一部分如图甲所示，纸带上两相邻计数点的时间间隔为T＝0.10s。

该同学将纸带从每个计数点处截断，得到6条短纸带，再把6条短纸带的下端对齐贴在纸上，以纸带下端为横轴建立直角坐标系，并将刻度尺边缘紧靠纵轴，其示数如图乙所示。

（以下结果均保留两位有效数字）

甲　　　　　　　　　乙

（1）打下计数点“2”时小车的速度大小为________m/s。

（2）小车的加速度大小为________m/s2。

（3）在某次实验中，若该同学所用交流电的频率小于50Hz，则加速度的测量值________（选填“＞”“＝”或“<”）真实值。

[解析]　

（1）依据中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度，那么打下计数点“2”时小车的速度大小为：

v2＝

＝0.47m/s。

（2）由逐差法可得：

a＝

m/s2＝0.70m/s2。

（3）频率小，则打点周期变长，即实际两点间时间大于0.10s，故测量值会偏大。

[答案]　

（1）0.47　

（2）0.70　（3）>

2．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：

速度/（m·s－1）

0.122

0.164

0.205

0.250

0.289

对应点

B

C

D

E

F

（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”）。

[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＝

＝

。

（2）作出vt图象（图象略），根据图线斜率可解得

a＝

≈0.42m/s2。

（3）如果在某次实验中，交流电的频率为51Hz>50Hz，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）

（2）0.42　（3）偏小

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。

1．（2019·全国卷Ⅲ）甲乙两位同学设计了利用数码相机的连拍功能测重力加速度的实验。

实验中，甲同学负责释放金属小球，乙同学负责在小球自由下落的时候拍照。

已知相机每间隔0.1s拍1幅照片。

（1）若要从拍得的照片中获取必要的信息，在此实验中还必须使用的器材是________。

（填正确答案标号）

A．米尺B．秒表

C．光电门D．天平

（2）简述你选择的器材在本实验中的使用方法。

答：

___________________________________________________

（3）实验中两同学由连续3幅照片上小球的位置a、b和c得到ab＝24.5cm、ac＝58.7cm，则该地的重力加速度大小为g＝_____m/s2。

（保留2位有效数字）

[解析]　利用数码相机的连拍功能，通过每隔一定时间的拍摄确定小球位置，所以还必须使用的器材是米尺，将米尺竖直放置，使小球下落时尽量靠近米尺，用米尺测量小球位置间的距离，利用逐差法由公式Δx＝aT2，可得a＝g＝

＝9.7m/s2。

[答案]　

（1）A　

（2）将米尺竖直放置，使小球下落时尽量靠近米尺　（3）9.7

2．（2019·江苏海安高级中学高三期末）如图甲所示，小虎同学将气垫导轨的右支撑点调高支成斜面，用图示装置测量滑块沿气垫导轨下滑的加速度。

遮光片P固定在滑块的左端并与滑块左端平齐，光电门固定在导轨上，导光孔与导轨上的位置A对齐。

让滑块左端位于斜面上的位置B处，打开气源，将滑块由静止释放，测得AB气垫导轨的距离L、遮光片的宽度及遮光时间，算出遮光片通过光电门的平均速度

，视为小车左端到达A处时的速度，从而测出滑块下滑的加速度。

甲

（1）小虎运用该方案测得加速度的表达式为a＝________。

（2）为了更精确地测得小车的加速度，小芳对方案进行了改进：

运用同一气垫导轨装置，仅换用不同宽度的遮光片固定在滑块的左端并与滑块左端平齐，让滑块左端位于斜面上的同一位置B处，打开气源，将滑块由静止释放，记录每次实验遮光片的宽度Δx和遮光时间t，并算出各次遮光片通过光电门的平均速度

，记录数据并作出

t图象如图乙所示。

根据图象，滑块左端过A处的瞬时速度大小为________m/s，滑块的加速度大小为________m/s2。

（结果保留两位有效数字）

乙

（3）你认为小芳的新方案中，考虑遮光片的质量变化，在换用不同遮光片时，测得的加速度应该________（选填“一样”或“不一样”）。

[解析]　

（1）根据速度与时间的关系得：

2＝2aL，解得：

a＝

。

（2）滑块通过光电门的过程为初速度为vA的匀加速直线运动，Δx＝vAt＋

at2，则

＝

＝vA＋

at，所以

t图线的斜率k＝

a，纵轴的截距表示vA的大小，则vA＝0.30m/s，加速度a＝2k＝2×

m/s2＝3.0m/s2。

（3）根据牛顿第二定律，滑块下滑过程中，mgsinθ＝ma，a＝gsinθ，加速度与质量无关，故在只更换不同遮光片时，测得的加速度是一样的。

[答案]　

（1）

（2）0.30±0.02　3.0±0.2　（3）一样

3．（2019·江苏四星级高中模拟）用图甲所示的实验装置研究小车速度随时间变化的规律。

实验中，选取了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，如图乙中A、B、C、D、E、F……所示。

通过测量、计算可以得到在打A、B、C、D、E、F……点时小车的速度，分别记作v1、v2、v3、v4、v5……

（1）本实验中，打点计时器的工作电压为________（选填“220V”或“6V以下”）交流电。

（2）在图丙中已标出计数点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vt图象。

丙

（3）观察vt图象，可以判断小车做匀变速直线运动，其依据是_______________________________________________________。

（4）描绘vt图象前，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Δt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Δx大小与速度测量的误差________（选填“有关”或“无关”）。

[解析]　

（1）由于实验中所选用的为电磁打点计时器，所以打点计时器的工作电压为6V以下的交变电压。

（2）利用所给点迹描点连线，得图象如图所示：

其中C点的横坐标为3T，纵坐标为v3。

（3）结合图象可以看出小车速度随时间均匀变化，所以小车做匀加速运动。

（4）Δt越小，则

越接近计数点的瞬时速度，所以Δt越小越好，计算速度需要用到Δx的测量值，所以Δx的大小与速度测量的误差有关。

[答案]　

（1）6V以下　

（2）见解析　（3）小车的速度随时间均匀变化　（4）越小越好　有关