2017_2018学年高中物理匀变速直线运动的研究第2节匀变速直线运动的实验探究教学案鲁科版.docx

第2节匀变速直线运动的实验探究一、实验目的1练习使用打点计时器。2掌握判断物体是否做匀变速直线运动的方法。3测定匀变速直线运动的加速度。4学会探究重力作用下物体运动的规律和方法。二、实验原理1打点计时器(1)结构及特点电火花打点计时器电磁打点计时器结构图示工作电压220 V交流电46 V交流电打点方式周期性产生电火花振针周期性上下振动打点周期0.02 s0.02 s记录信息位移、时间(2)工作原理：以电磁打点计时器为例，纸带穿过打点计时器在物体带动下运动时，振针的上下振动便会通过复写纸在纸带上留下一系列小点，相邻两点对应的时间为0.02 s，相邻两点之间的距离可以用尺子测量，这样打点计时器既记录了时间，又记录了对应的位移。2频闪照相法及其应用(1)频闪照相法：利用照相技术，每隔一定时间曝光一次，从而形成间隔相同时间的影像的方法。(2)频闪灯：每隔相等时间闪光一次，如每隔0.1 s闪光一次，即每秒闪光10次。(3)频闪照片：利用频闪灯照明，照相机可以拍摄出运动物体每隔相等时间所到达的位置，通过这种方法拍摄的照片称为频闪照片。(4)记录信息：物体运动的时间和位移。3物体是否做匀变速直线运动的判断方法(1)利用平均速度v，当t很短时，可以近似认为平均速度等于t时刻的瞬时速度，利用速度和时间关系判断物体是否做匀变速直线运动。(2)利用ss2s1s3s2snsn1aT2判断物体是否做匀变速直线运动。三、实验器材电磁打点计时器、纸带、复写纸、低压交流电源、小车、垫片、长木板、刻度尺、导线等。四、实验步骤1将打点计时器固定在长木板的一端，并用垫片垫高此端，使木板倾斜。2连接好打点计时器的电路(注意此过程中要断开开关)。3将纸带穿过打点计时器，连接在小车后面，并使小车靠近打点计时器。4闭合电路开关，然后释放小车，打完纸带后立即关闭电源。5更换纸带，重复操作三次。6选择一条点迹最清晰的纸带，舍掉开头一些过于密集的点，找一适当的点作为开始点，选择相隔0.1 s的若干个计数点进行长度测量，并将数据填入设计好的表格中。五、数据处理1用逐差法求加速度以取六个间隔为例，则 a1，a2，a3。加速度的平均值为a(a1a2a3)()(s4s5s6)(s1s2s3)逐差法处理数据求加速度的平均值，好处是各个数据都得到了利用，达到正、负偶然误差充分抵消的作用，使计算结果更接近真实值。2用v t图像求加速度(1)在三条纸带中选择一条最清晰的，舍掉开头一些比较密集的点迹，在后边便于测量的地方找一个开始点，为了测量方便和减小误差，通常选择相隔0.1 s的若干计数点进行测量，在选好的第一个点下面标明0，在第六个点下面标1，在第11个点的下面标2，依此类推，每隔4个点下面计一个数，这些标数字的点叫做计数点。如图321所示，测出两相邻计数点的距离分别为s1、s2、s3填入下表。图321位置间隔0112233445间隔距离s/m(2)根据测量结果，再利用匀变速直线运动的瞬时速度的求解方法，即中间时刻的瞬时速度可以用这段时间内的平均速度来求解，也就是vn，可求出打第n个计数点时纸带的瞬时速度，并将瞬时速度的值填入下表。位置编号1234时间t/s速度v/ms1(3)用横坐标表示时间T、纵坐标表示瞬时速度v，在坐标平面上标出(T，v1)、(2T，v2)、各点，把这些点连接起来可画出一条直线，它就是物体运动的速度图像，从此直线的斜率就可求得物体的加速度。六、误差分析误差产生原因减小方法偶然误差纸带上计数点间距离的测量vt图线作出的并非一条直线多次测量求平均值大多数点在线上，不在线上的点尽可能分布在线的两侧系统误差小车、纸带运动过程中有摩擦电源的不稳定性使用电火花打点计时器使用稳压电源七、注意事项1开始释放小车时，应使小车靠近打点计时器。2应该是先接通电源，等打点稳定后，再释放小车。3打点完毕，立即断开电源。4如打出的点较轻或是短线时，应调整振针距复写纸的高度。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，弄清楚所选的时间间隔T。6每打好一条纸带，将定位轴上的复写纸换个位置，以保证打点清晰。7不要分段测量各段位移，应尽可能地一次测量完毕(可先统一量出各计数点到开始点之间的距离)。读数时应估读到毫米的下一位。8要区分打点计时器打出的计时点和人为选取的计数点，一般在纸带上每隔4个点取一个计数点，即时间间隔为T0.02 s50.1 s。9在坐标纸上画vt图像时，注意坐标轴单位长度的选取，应使图像尽量分布在较大的坐标平面内。八、实验探究物体仅在重力作用下的运动1实验原理及器材重锤拖着纸带竖直下落时，如果纸带所受阻力和空气阻力比物体的重力小得多，可近似认为重锤仅在重力作用下运动，根据打出的纸带分析研究重锤的运动规律。使用的器材有打点计时器、交流电源、纸带、重锤、铁夹及铁架台。2主要实验步骤(1)如图322所示，把打点计时器竖直固定在铁架台上，使两个限位孔上下对齐，连接好电源。图322(2)把纸带穿过两个限位孔，下端用铁夹连到重锤上，让重锤靠近打点计时器。(3)用手捏住纸带上端把纸带拉成竖直状态，打开打点计时器的电源，松开手让重锤和纸带自由下落。(4)重复几次，选取一条点迹清晰的纸带分析计算。3实验注意事项(1)为尽量减小空气阻力的影响，重物应选质量大、体积小的物体(如重锤等)。(2)打点计时器应竖直固定好。(3)重锤应靠近打点计时器，且要先打开打点计时器的电源，再放手让重锤运动。例1打点计时器是高中物理中重要的物理实验仪器，图图323中甲、乙两种打点计时器是高中物理实验中常用的。请回答下面的问题。图323(1)甲图是_打点计时器，电源采用的是_。(2)乙图是_打点计时器，电源采用的是_。(3)某同学在“匀变速直线运动的实验探究”的实验中，用打点计时器在纸带上打的点记录小车的运动情况。他做此实验时步骤如下：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，重复操作三次，然后从各纸带中选取一条清晰的进行数据处理。其中错误或遗漏的步骤有：_；_。将以上步骤完善后按合理的顺序填写在下面横线上。_解析(1)甲图是电磁打点计时器，电源采用46 V低压交流电。(2)乙图是电火花打点计时器，所用电源为220 V交流电。(3)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，所以错误操作是A、D步骤。合理的顺序应是BECADF。答案见解析例2某同学利用图324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，每5个点取1个计数点，相邻计数点间的距离如图乙所示。打点计时器电源的频率为50 Hz。图324(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5对应的速度大小为_m/s，计数点6对应的速度大小为_m/s。(保留三位有效数字)(3)物块减速运动过程中加速度的大小为a_m/s2。解析(1)由于计数点6之前相邻计数点之间距离之差约为2 cm，而计数点6、7之间的距离比计数点5、6之间的距离多1.27 cm，故可判断物块在相邻计数点6和7之间某时刻开始减速。(2)计数点5对应的速度v5 m/s1.00 m/s。物块做加速运动时加速度大小a加 m/s22.00 m/s2。v6v5a加T1.20 m/s。(3)物块做减速运动时的加速度大小为a m/s22.00 m/s2。答案(1)67(或76)(2)1.001.20(3)2.00例3在做“匀加速直线运动的实验探究”的实验中，打点计时器接在50 Hz的低压交变电源上，某同学在打出的纸带上每5点取一个计数点，共取了A、B、C、D、E、F六个计数点(每相邻两个计数点间的四个点未画出)。从每一个计数点处将纸带剪开分成五段(分别为a、b、c、d、e段)，将这五段纸带由短到长紧靠但不重叠地粘在xOy坐标系中，如图325所示，由此可以得到一条表示vt关系的图线，从而求出加速度的大小。图325(1)请你在xOy坐标系中用最简洁的方法作出能表示vt关系的图线(作答在图上)，其_(填“x”或“y”)轴相当于v轴。(2)从第一个计数点开始计时，为求出0.15 s时刻的瞬时速度，需要测出_段纸带的长度。(3)若测得a段纸带的长度为2.0 cm，e段纸带的长度为10.0 cm，则可求出加速度的大小为_m/s2。解析(1)分别取a、b、c、d、e五段的上方中点，并连线，得到的即为vt图像，如图所示，y轴相当于v轴。(2)t0.15 s是BC时间段的中间时刻，要求t0.15 s时的瞬时速度，只需要测b纸带的长度sb，然后用即可求得t0.15 s时的速度。(3)根据s5s14at2得a2 m/s2。答案(1)见解析图y(2)b(3)21.利用打点计时器测定物体做匀变速直线运动的加速度时，在纸带上所打的一系列点如图326所示，各相邻的计数点间的距离分别为s、s、s，则下列关系式中错误的是()图326AssaT2Bss2aT2Cssss Dss解析：选D对于匀变速直线运动，连续相等时间间隔内的位移之差是恒量，即saT2。对于该题有ssssaT2，而ssssss2aT2。所以选项A、B、C正确，D错误。2使用电火花计时器分析物体运动情况的实验中：(1)在如下基本步骤中，正确的排列顺序为_。A把电火花计时器固定在桌子上B安放纸带C松开纸带让物体带着纸带运动D接通220 V交流电源E按下脉冲输出开关，进行打点(2)在安放纸带时，要检查墨粉纸盘是否已经正确地套在_上，还要检查_是否夹在两纸带之间。解析：根据实验原理，通过对实验仪器的观察，掌握新仪器的使用方法是一种重要的实验能力。电火花计时器的特点：打点是靠放电针和墨粉纸盘之间火花放电来实现的，故其操作步骤和电磁打点计时器是相仿的，墨粉纸盘应套在纸盘轴上，目的是使它可以转动，均匀地被利用。墨粉纸盘夹在两条白纸带之间，目的是使墨粉纸盘可以更好地转动。答案：(1)ABDEC(2)纸盘轴墨粉纸盘3如图327是研究物体做匀变速直线运动时得到的一条纸带(实验中打点计时器所接低压交流电源的频率为50 Hz)。从0点后开始每5个计时点取一个计数点，依照打点的顺序依次编为0、1、2、3、4、5、6，测得s15.18 cm，s24.40 cm，s33.62 cm，s42.84 cm，s52.06 cm，s61.28 cm。图327(1)相邻两计数点间的时间间隔为_s。(2)物体的加速度大小a_ m/s2，方向_(选填“AB”或“BA”)。(3)打点计时器打计数点3时，物体的速度大小v3_ m/s。解析：(1)打两个点之间的时间间隔等于交流电源频率的倒数，即T s0.02 s，每5个计时点取一个计数点，故相邻两个计数点间的时间间隔T50.02 s0.1 s。(2)由逐差法可得物体的加速度a，代入数据解得a0.78 m/s2，负号表示物体加速度的方向，加速度大小为0.78 m/s2。因为是依照打点的先后顺序依次编号，所以物体的运动方向是BA，而物体做匀减速直线运动，故加速度的方向是AB。(3)打计数点3时物体的速度v3 m/s0.323 m/s。答案：(1)0.1(2)0.78AB(3)0.3234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是50 Hz的交流电源上，实验中得到一条纸带，如图328所示。他在纸带上便于测量的地方选取第1个计数点，在该点下标明A，第6个点下标明B，第11个点下标明C，第16个点下标明D，第21个点下标明E。测量时发现B点已模糊不清，测得AC长为14.56 cm，CD长为11.15 cm，DE长为13.73 cm。由以上数据可以算出：打点计时器打C点时小车的瞬时速度大小为_m/s，小车运动的加速度大小为_m/s2，AB的距离应为_cm。图328解析：由打点计时器的频率知，相邻两计数点间的时间间隔T0.1 s。C点的瞬时速度vC等于AE段的平均速度AE，即vCAE cm/s98.6 cm/s0.986 m/s，ssDEsCD2.58 cm2.58102 m，由saT2得小车运动的加速度大小a2.58 m/s2，由题意知sBCsAB14.56 cm，sBCsABs2.58 cm，解得sAB5.99 cm。答案：0.9862.585.995在探究小车速度随时间变化规律的实验中，得到如图329所示的一条记录小车运动情况的纸带，图中A、B、C、D、E为相邻的计数点，相邻计数点间的时间间隔T0.1 s。图329(1)根据纸带计算各点瞬时速度，vD_m/s，vC_m/s，vB_m/s。(2)在如图3210所示的坐标系中作出小车的vt图线，并根据图线求出a_。图3210(3)将图线延长与纵轴相交，交点的速度是_m/s，此速度的物理意义是_。解析：(1)根据v可知vD m/s3.90 m/svC m/s2.64 m/svB m/s1.38 m/s(2)作出vt图线如图所示根据图线斜率知a12.60 m/s2。(3)由图知：交点的速度为0.1 m/s，表示零时刻小车经过A点时的速度。答案：(1)3.902.641.38(2)见解析图12.60 m/s2(3)0.1零时刻小车经过A点时的速度6如图3211是“研究匀变速直线运动”实验中获得的一条纸带，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3211(1)OD间的距离为_cm。(2)图3212是根据实验数据绘出的st2图线(s为各计数点至同一起点的距离)，斜率表示_，其大小为_m/s2(保留三位有效数字)。图3212解析：(1)1 cm1 mm2.01.20 cm。(2)斜率表示加速度的一半，a m/s2，所以加速度大小a0.933 m/s2。答案：(1)1.20(2)加速度的一半0.9337利用图3213所示的装置可测量滑块在斜面上运动的加速度。一斜面上安装有两个光电门，其中光电门乙固定在斜面上靠近底端处，光电门甲的位置可移动。当一带有遮光片的滑块自斜面上滑下时，与两个光电门都相连的计时器可以显示出遮光片从光电门甲至乙所用的时间t。改变光电门甲的位置进行多次测量，每次都使滑块从同一点由静止开始下滑，并用米尺测量甲、乙之间的距离s，记下相应的t值，所得数据如下表所示。图3213s(m)0.5000.6000.7000.8000.9000.950t(ms)292.9371.5452.3552.8673.8776.4(m/s)1.711.621.551.451.3