【志鸿优化设计】高考物理第一轮复习 （梳理整合+探究突破+巩固提升）专题实验1 研究匀变速直线运动（含解析） 鲁科版.doc

实验1：研究匀变速直线运动一、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（sat2）。3测定匀变速直线运动的加速度。二、实验原理1打点计时器（1）作用：计时仪器，每隔0.02 s打一次点。（2）工作条件电磁打点计时器：46 v交流电源电火花计时器：220 v交流电源（3）纸带上点的意义反映和纸带相连的物体在不同时刻的位置。通过研究纸带上各点之间的距离，可以判断物体的运动情况。可以利用纸带上打出的点来确定计数点间的时间间隔。2利用纸带判断物体运动状态的方法（1）沿直线运动的物体在连续相等时间内不同时刻的速度分别为v1、v2、v3、v4、，若v2v1v3v2v4v3，则说明物体在相等时间内速度的变化量相等，由此说明物体在做匀变速直线运动，即a。（2）沿直线运动的物体在连续相等时间内的位移分别为s1，s2，s3，s4，若ss2s1s3s2s4s3，则说明物体在做匀变速直线运动，且sat2。3速度、加速度的求解方法（1）“逐差法”求加速度：如图所示的纸带，相邻两点的时间间隔为t，且满足s6s5s5s4s4s3s3s2s2s1，即a1，a2，a3，然后取平均值，即，这样可使所给数据全部得到利用，以提高准确性。（2）“平均速度法”求速度：得到如图所示的纸带，相邻两点的时间间隔为t，n点的瞬时速度为vn。即vn。（3）“图象法”求加速度，即由“平均速度法”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、电源、复写纸片。四、实验步骤1仪器安装（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，细绳跨过定滑轮，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。实验装置如图所示，放手后，看小车能否在木板上平稳地加速滑行。2测量与记录（1）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。（2）从三条纸带中选择一条比较理想的，舍掉开头一些比较密集的点，从后边便于测量的点开始确定计数点，为了计算方便和减小误差，通常用连续打点五次的时间作为时间单位，即t0.1 s。正确使用毫米刻度尺测量每相邻两计数点间的距离，并填入设计的表格中。（3）利用某一段时间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的瞬时速度。（4）增减所挂钩码数，再重复实验两次。五、数据处理及实验结论1由实验数据得出vt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，如图所示可以看到，对于每次实验，描出的几个点都大致落在一条直线上。（2）作一条直线，使同一次实验得到的各点尽量落到这条直线上，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vt图象，它是一条倾斜的直线。2由实验得出的vt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）分析图象的特点得出：小车运动的vt图象是一条倾斜的直线如图所示，当时间增加相同的值t时，速度也会增加相同的值v，由此得出结论：小车的速度随时间均匀变化。（2）通过函数关系进一步得出：既然小车的vt图象是一条倾斜的直线，那么v随t变化的函数关系式为vktb，显然v与t成“线性关系”，小车的速度随时间均匀变化。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同；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；5木板的粗糙程度并非完全相同，这使测量得到的加速度只能是所测量段的平均加速度。七、注意事项1交流电源的电压及频率要符合要求。2实验前要检查打点计时器打点的稳定性和清晰程度，必要时要调节振针的高度和更换复写纸。3开始释放小车时，应使小车靠近打点计时器。4先接通电源，打点计时器工作后，再放开小车，当小车停止运动时及时断开电源。5要区别打点计时器打出的计时点与人为选取的计数点，一般在纸带上每隔四个计时点取一个计数点，即时间间隔为t0.025 s0.1 s。6小车另一端挂的钩码个数要适当，避免因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。7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，弄清楚相邻计数点间所选的时间间隔t。8测s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。命题研究一、对实验原理的正确理解【题例1】在做“研究匀变速直线运动”的实验时，为了能够较准确地测出加速度，将你认为正确的选项前面的字母填在横线上：_a把附有滑轮的长木板放在实验桌上，并使滑轮伸出桌面b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c再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，每次必须由静止释放小车d把纸带穿过打点计时器，并把它的一端固定在小车的后面e把小车停在靠近打点计时器处，接通直流电源后，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，随后立即关闭电源，换上新纸带，重复三次f从三条纸带中选择一条比较理想的纸带，舍掉开头比较密集的点，在后边便于测量的地方找一个开始点，并把每打五个点的时间作为时间单位。在选好的开始点下面记作0，往后第六个点作为计数点1，依此标出计数点2、3、4、5、6，并测算出相邻两点间的距离g根据公式a1（s4s1）/3t2，a2（s5s2）/3t2，a3（s6s3）/3t2及（a1a2a3）/3求出思路点拨：明确本实验原理及误差来源是分析判断本题的关键。解题要点：规律总结打点计时器使用的是交流电源，电磁打点计时器使用的是46 v低压交流电源，电火花打点计时器使用的是220 v交流电源。命题研究二、纸带数据的处理【题例2】（2012北京朝阳期中统考）某同学利用打点计时器研究做匀加速直线运动小车的运动情况。图示为该同学实验时打出的一条纸带，纸带上两相邻计数点的时间间隔是0.1 s。从刻度尺中可以得到sab_cm、scd_cm，由这两个数据得出小车的加速度大小a_m/s2，打点计时器打b点时小车的速度v_m/s。思路点拨：通过刻度尺可读出ab、cd间距离，利用scdsab2at2即可求出小车的加速度；利用匀变速直线运动中某段时间内的平均速度等于中间时刻的即时速度，可求得b点的速度。解题要点：规律总结有关力学实验中纸带问题的处理方法：运动性质判断：利用位移差法判断物体的运动情况，即纸带上任意两计数点间距离是否满足snsn1at2；位移：利用刻度尺即可测量；瞬时速度：利用vn或vn求解；加速度：利用逐差法求解，也可以利用图象求解。命题研究三、创新实验【题例3】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，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。图甲图乙通过分析纸带数据，可判断物块在相邻计数点_和_之间某时刻开始减速。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）物块减速运动过程中加速度的大小为a_ m/s2，若用来计算物块与桌面间的动摩擦因数（g为重力加速度），则计算结果比动摩擦因数的真实值_（选填“偏大”或“偏小”）。思路点拨：根据匀变速直线运动规律的推论sat2可判断出6和7（或7和6）之间某时刻开始减速；利用vn可求出这个点速度大小；根据逐差法可求出加速度。解题要点：规律总结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。1（2012黑龙江鸡西一模）在“研究匀变速直线运动”的实验中，下列方法中有助于减少实验误差的是（）a选取计数点，把每打5个点的时间间隔作为一个时间单位b使小车运动的加速度尽量小些c舍去纸带上开始时密集的点，只利用点迹清晰、点间隔适当的那一部分进行测量、计算d适当增加挂在细绳下钩码的个数2（2012广东汕尾模拟）在“研究匀变速直线运动”的实验中，算出小车经过各计数点的瞬时速度如下：计数点序号123456计数点对应的时刻/s0.10.20.30.40.50.6通过计数点时的速度/（cms1）44.062.081.0100.0110.0168.0为了算出加速度，合理的方法是（）a根据任意两个计数点的速度，用公式a算出加速度b根据实验数据画出vt图，量出其倾角，由公式atan 算出加速度c根据实验数据画出vt图，由图线上间隔较远的两点所对应的速度，用公式a算出加速度d依次算出通过连续两个计数点间的加速度，算出平均值作为小车的加速度3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出的纸带，并在其上取了o、a、b、c、d、e、f七个计数点（每相邻两个计数点间还有4个打点计时器打下的点。本图中没有画出），打点计时器用的是220 v、50 hz的交流电源。（1）实验时，在正确安装好装置后，把小车放到靠近打点计时器的位置，再先_后_，使小车运动，而后得到反映小车运动的纸带。（2）利用纸带的数据可计算得出该物体的加速度a为_ m/s2。（计算结果保留三位有效数字）（3）如果当时电网中交变电流的频率是f49 hz，而做实验的同学并不知道，由此引起的系统误差将使加速度的测量值比实际值偏_（选填“大”或“小”）。4（2012河北衡水中学调研）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，并在其上取了a、b、c、d、e、f、g等7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t0.02 s的交流电源。他经过测量得到各点到a点的距离如图所示。（1）计算vf的公式为vf_；（2）如果当时电网中交变电流的频率是f51 hz，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”）。5伽利略在两种新科学的对话一书中，讨论了自由落体运动和物体沿斜面运动的问题，提出了这样的猜想：物体沿斜面下滑是一种匀变速直线运动，同时他还运用实验验证了其猜想。物理兴趣小组依据伽利略描述的实验方案，设计了如图所示的装置，探究物体沿斜面下滑是否做匀变速直线运动。（1）实验时，让滑块从某一高度由静止沿斜面下滑，并同时打开装置中的阀门，使水箱中的水流到量筒中；当滑块碰到挡板的同时关闭阀门（整个过程中水流可视为均匀稳定的）。改变滑块起始位置的高度，重复以上操作。该实验探究方案是利用量筒中收集的水量来测量_的。次数1234567s/m4.53.93.02.11.50.90.3v/ml90847262524023.5105.65.55.85.55.65.65.4（2）上表是该小组测得的有关数据，其中s为滑块从斜面的不同高度由静止释放后沿斜面下滑的距离，v为相应过程量筒收集的水量。分析表中数据，根据_，可以得出滑块沿斜面下滑是做匀变速直线运动的结论。（3）本实验误差的主要来源有：水从水箱中流出不够稳定，还可能来源于_。（只要求写出一种）解决直线运动问题常用方法指导本专题内容是力学乃至整个物理学的基础，从近几年高考试题来看，对本专题考查的重点是匀变速直线运动公式、规律的应用及运动图象问题。高考命题中更多的是将本章知识与牛顿运动定律、能量、电场中的带电粒子的运动和磁场中通电导体的运动等知识进行综合考查，如2012安徽理综第22题。将物理规律应用于实际问题，是近几年命题的主要方向。试题强调基础化、生活化、综合化和新异化，着重考查考生思维的周密性、广泛性、多维性和创造性。因此，考生在学习本章内容时，要注意从以下几个方面进行学习。1匀速直线运动和匀变速直线运动是基本的运动形式，要掌握描述运动的速度公式和位移公式，并理解其物理意义；会正确分析物体的运动过程，灵活选择正确的公式，避免乱套公式。2考试大纲能力要求中明确指出，要求学生具有阅读图象、描述图象、运用图象解决问题的能力。从近几年的高考情况来看，图象问题在高考中出现的频率很高，年年必考，估计在2013年高考中还会有所体现。所以正确运用图象是备考的重要课题。处理图象问题的关键是：搞清图象所揭示的物理量间的函数关系，明确斜率、截距、面积等所表示的物理意义。3将物理规律应用于实际问题，是近年来突出体现的命题方向。在物理试题，特别是综合考试的试题中，基本上都是将物体的运动形式与实际问题结合在一起来命题的，所以将实际问题模拟化，找到物理问题中适用的规律，才是解决问题的关键。一、巧解直线运动问题的常用方法1平均速度法【例题1】一个小球从斜面顶端无初速度下滑，接着又在水平面上做匀减速运动，直至停止，它共运动了10 s，斜面长4 m，在水平面上运动的距离为6 m。求：（1）小球在运动过程中的最大速度。（2）小球在斜面和水平面上运动的加速度大小。解题要点：2图象法【例题2】升降机由静止开始匀加速竖直上升2 s，速度达到4 m/s后，匀速竖直上升5 s，接着匀减速竖直上升3 s后停下来。求升降机在上述过程中发生的总位移s。解题要点：3对称法【例题3】一个从地面竖直上抛的物体，不计空气阻力，它两次经过一个较低点a的时间间隔是5 s，两次经过一个较高点b的时间间隔是3 s，则a、b间距离为多少？（取g10 m/s2）解题要点：4逆向思维法【例题4】一物体以某一初速度在粗糙水平面上做匀减速直线运动，最后停下来，若此物体在最初5 s内和最后5 s内经过的路程之比为115。则此物体一共运动了多长时间？解题要点：5变换参考系法【例题5】一飞机在2 000 m高空水平匀速飞行，时隔1 s先后掉下两小球a、b，求两小球在空中彼此相距的最远距离。（g取10 m/s2，空气阻力不计）解题要点：二、物理实验中的数据处理方法1平均值法取算术平均值是为减小偶然误差而常用的一种数据处理方法。通常在同样的测量条件下，对于某一物理量进行多次测量的结果不会完全一样，用多次测量的算术平均值作为测量结果，实验误差最小。2公式法根据测定的两组或多组数据代入公式求解的方法。公式法的应用要领是充分利用数据取平均值或利用差值较大的两组数据。3列表法实验中将数据列成表格，可以简明地显示出有关物理量之间的关系，便于检查测量结果和运算是否合理，有助于发现和分析问题，列表法是图象法的基础。列表时应注意表格要直观地反映有关物理量之间的关系，便于分析；表格要清楚地反映测量的次数，测得的物理量的名称及单位；表中所列数据要准确地反映测量值的有效数字。4图解法根据实验数据通过列表、描图、求斜率和坐标轴上的截距，表示所求未知量。选取适当的自变量，通过作图可以找到或反映物理量之间的变化关系，并找出其中的规律，确定对应量的函数关系。作图法是最常用的实验数据处理方法之一。描绘图象的要求是：（1）根据测量的要求选定坐标轴，一般以横轴为自变量，纵轴为因变量。坐标轴要标明所代表的物理量的名称及单位。（2）坐标轴标度的选择应合适，使测量数据能在坐标轴上得到准确的反映。为避免图纸上出现大片空白，坐标原点可以是零，也可以不是零。坐标轴的分度的估读数，应与测量值的估读数（即有效数字的末位）相对应。（3）确立数学模型，对于只研究两个变量相互关系的实验，其数学模型可借助于图解法来确定，首先根据实验数据在直角坐标系中作出相应图线，看其图线是否是直线、反比关系曲线、幂函数曲线等，确定出以上几种情况的数学模型分别为：yabx，yab/x，yaxn。（4）改为直线方程，为方便地求出曲线关系方程的未定系数，在精度要求不太高的情况下，在确定的数学模型的基础上，变换成为直线方程，并根据实验数据在坐标系中作出对应的直线图形。【例题6】在“研究匀变速直线运动”的实验中，用打点计时器记录纸带运动的时间，计时器所用电源的频率为50 hz，如图为小车带动的纸带上记录的一些点，在每相邻两点间都有四个点未画出，按时间顺序取0、1、2、3、4、5六个点，用米尺量出1、2、3、4、5点到0点的距离如图所示。（1）小车做什么运动？（2）若小车做匀变速直线运动，那么当打第3个计数点时小车的速度为多少？小车的加速度为多少？解题要点：参考答案考向探究突破【题例1】答案：abcdfg解析：在实验中尽可能地保证小车做匀变速直线运动，同时也要求纸带能尽可能地直接反映小车的运动情况，既要减小运动误差也要减小纸带的分析误差。其中e项中的电源应采用交流电，而不是直流电。【题例2】答案：1.202.200.500.15（或0.145）解析：根据纸带可得，sab1.20 cm01.20 cm，scd5.10 cm2.90 cm2.20 cm；根据匀变速直线运动的规律有scdsab（scdsbc）（sbcsab）2at2，所以由这两个数据可得出，小车的加速度大小a50 cm/s20.50 m/s2；打点计时器打b点时小车的速度等于打点计时器打ac段时的平均速度，即vbac14.5 cm/s0.145 m/s。【题例3】答案：67（或76）1.001172.00偏大解析：根据匀加速直线运动的推论，相邻相等时间内位移之差是常数sat2，可知开始位移之差为2 cm，所以6和7之间某时刻开始减速。计数点5对应的速度大小为vm/s1.00 m/s，计数点6对应的速度大小为vm/s1.17 m/s。物块减速运动过程中加速度的大小为am/s22.00 m/s2，由于纸带与打点计时器之间有摩擦阻力，则计算结果比动摩擦因数的真实值偏大。演练巩固提升1acd解析：选取计数点可以使用于测量和计算的相邻点的间隔增大，在用直尺测量这些点间的间隔时，在测量绝对误差基本相同的情况下，相对误差较小，因此a正确；在实验中，如果小车运动的加速度过小，打出的点很密，长度测量的相对误差较大，测量准确性降低，因此小车的加速度应适当大些，而使小车加速度增大的常见方法是，适当增加挂在细绳下钩码的个数，以增大拉力，故b项错，d项对；为了减少长度测量的相对误差，舍去纸带上过于密集，甚至分辨不清的点，因此c项正确。2c解析：根据任意两个计数点的速度用公式a算出加速度的偶然误差较大，a不合理；vt图中a并不等于tan ，b不合理；由图线上间隔较远的两点对应的速度，利用公式a算出的加速度偶然误差小，即c合理；依次算出通过连续两个计数点间的加速度，算出平均值作为小车的加速度，实际只相当于用了第1组和第6组两组数据，偶然误差仍然较大，d不合理。3答案：（1）接通电源释放小车（2）0.641（3）大解析：（1）实验时调整好仪器，开始打点计时的时候，应先开电源，然后再放纸带使纸带运动，这样可以使纸带上打出的点更多，有效点也较多，纸带的利用率较高。（2）acm/s20.641 m/s2。（3）如果实验所用交流电的实际频率偏小，那么纸带上相邻两个计数点间的时间间隔的测量值偏小，由此根据匀变速直线运动规律a得到的加速度的测量值比实际值偏大。4答案：（1）（2）偏小解析：（1）计算打点计时器打各点时的瞬时速度时，用平均速度来代替瞬时速度，如计算打f点时的瞬时速度vf，它等于e、g两点间的平均速度，即vf。（2）利用匀变速直线运动公式sat2，即as/t2计算加速度；如果实际交流电频率f偏大，实际周期t1/f偏小，同学们代入公式as/t2中的t值偏大，所以加速度a偏小。5答案：（1）时间（2）s/v2在误差范围内是一个常数（3）距离测量不准确；滑块开始下滑和开始流水不同步等解析：（1）右边的实验装置是计时装置，它通过量筒中收集的水量来测量时间。（2）斜面倾角不变，滑块下滑的加速度相同，下滑的距离sat2，又tkv（k为常量），所以sak2v2（其中k为常量），根据表中数据可知，s/v2在误差范围内是一个常量，这就说明加速度a也是常量，可以得出滑块沿斜面下滑是做匀变速直线运动的结论。（3）本实验的误差来源除了水从水箱中流出不够稳定外，还可能有距离测量不准确，滑块开始下滑和开始流水不同步等。专题提炼升华【例题1】答案：（1）2 m/s（2） m/s2 m/s2解析：小球在斜面和水平面上均做匀变速直线运动，在斜面底端速度最大，设最大速度为vmax，在斜面上运动的时间为t1，在水平面上运动的时间为t2。由运动学公式可得：t1t210 m，又因t1t210 s，两式联立解得vmax2 m/s由公式2asv，代入数据得a1m/s2，a2m/s2。【例题2】答案：30 m解