（课标版）2021高考物理一轮复习 第一章 直线运动 实验一 研究匀变速直线运动教案

实验一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。2.会利用纸带求匀变速直线运动的瞬时速度、加速度。3.会利用纸带探究小车速度随时间变化的规律,并能画出小车运动的v-t图像,根据图像求加速度。二、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。关于打点计时器要知道以下内容:作用计时仪器,每隔0.02 s打一次点工作条件电磁打点计时器:连接 6 v以下 交流电源电火花计时器:连接220 v交流电源纸带上点的意义a.表示和纸带相连的物体在不同时刻的位置;b.通过研究纸带上各点之间的间隔,可以判断物体的运动情况三、实验步骤1.把附有定滑轮的长木板平放在实验桌上,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,并在绳的另一端挂上合适的钩码,把纸带穿过打点计时器,并把纸带的一端固定在小车的后面,如图所示。调整滑轮的高度,使细绳与长木板 平行 。3.把小车放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。取下纸带,换上新纸带,重复实验二次。4.从三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,以后依次隔四个点取一个计数点,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12345t/sx/mv/(ms-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,填入表格中。7.增减所挂钩码数,再做两次实验。四、数据处理1.利用纸带判断物体是否做匀变速直线运动的方法(1)沿直线运动的物体在连续相等时间间隔的不同时刻的速度分别为v1、v2、v3、v4、,若v2-v1=v3-v2=v4-v3=,则说明物体在相等时间内速度的增量相等,由此说明物体在做匀变速直线运动,即a=vt=v1t=v2t=(2)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x=x2-x1=x3-x2=x4-x3=,则说明物体在做匀变速直线运动,且x= at2。2.速度、加速度的求解方法(1)“平均速度法”求速度vn=xn+xn+12t,如图所示。(2)“逐差法”求加速度a1=x4-x13t2,a2=x5-x23t2,a3=x6-x33t2,然后取平均值,a=a1+a2+a33,这样使所给数据全部得到利用,以提高准确性。(3)“图像法”求加速度由“平均速度法”求出多个点的速度,画出v-t图像,图线的 斜率 即加速度。说明由实验数据得出v-t图像要注意:根据表格中的v、t数据,在平面直角坐标系中仔细描点,作出一条直线,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得到的v-t图线,它是一条倾斜的直线,如图所示。五、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图线并不是一条直线。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。考点一实验原理和实验操作例1用图1所示的实验装置研究小车速度随时间变化的规律。图1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。图2c.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、v5d.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。图3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xt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”)。答案(1)ac(2)如图所示(3)小车的速度随时间均匀变化加速度(4)越小越好有关解析本题考查研究匀变速直线运动规律的实验。(1)打点计时器所用电源为50 hz的交流电源,测量各计数点间距离需用刻度尺。(2)图见答案。(3)因为小车的速度随时间均匀变化,所以小车做匀加速直线运动。由匀加速直线运动中速度v=v0+at,可知v-t图像斜率的物理意义是加速度。(4)v=xt,若用 v 表示瞬时速度,t越小越好,而选取的x大小会影响速度测量值与真实值的偏差大小。变式1某同学用如图1所示的实验装置研究匀变速直线运动,实验步骤如下:图1a.安装好实验器材;b.让小车拖着纸带运动,打点计时器在纸带上打下一系列小点,重复几次,选出一条点迹比较清晰的纸带,从便于测量的点开始,每五个点取一个计数点,如图2所示纸带中a、b、c、d等点;c.测出x1、x2、x3、图2结合上述实验步骤,请你继续完成下列任务:(1)实验中,除打点计时器(含纸带、复写纸)、小车、一端附有滑轮的长木板、细绳、钩码、导线及开关外,在下列仪器和器材中,必须使用的有。(填选项代号)a.电压合适的50 hz交流电源b.电压可调的直流电源c.秒表d.刻度尺e.天平f.重锤g.弹簧测力计h.滑动变阻器(2)如果小车做匀加速运动,所得纸带如图2所示,则x1、x2、x3的关系是,已知打点计时器打点的时间间隔是t,则打c点时小车的速度大小是。(3)如果小车做匀加速直线运动,测出前六段相等时间内的位移分别为x1、x2、x3、x4、x5、x6,已知打点计时器打点的时间间隔是t,则小车的加速度a的表达式为:。答案(1)ad(2)x3-x2=x2-x1x2+x310t(3)a=x4+x5+x6-x1-x2-x3225t2名师点拨研究匀变速直线运动实验注意事项平行纸带、细绳要和长木板平行靠近释放小车前,应使小车停在靠近打点计时器的位置处一先一后实验时应先接通电源,后释放小车;实验后先断开电源,后取下纸带防止碰撞在小车到达长木板末端前应让其停止运动,防止钩码落地,小车与滑轮碰撞减小误差与小车相连的细绳的另一端挂的钩码个数要适当,避免小车速度过大而使纸带上打的点太少,或者小车速度太小而使纸带上打的点过于密集纸带选取选择一条点迹清晰的纸带,舍弃点迹密集部分,适当选取计数点准确作图在坐标纸上,纵、横轴选取合适的单位,仔细描点连线,注意不能连成折线,应作一条直线,让各点尽量落到这条直线上,落不到直线上的各点应均匀分布在直线的两侧考点二实验数据处理和误差分析例2(2019课标,22,5分)某小组利用打点计时器对物块沿倾斜的长木板加速下滑时的运动进行探究。物块拖动纸带下滑,打出的纸带一部分如图所示。已知打点计时器所用交流电的频率为50 hz,纸带上标出的每两个相邻点之间还有4个打出的点未画出。在a、b、c、d、e五个点中,打点计时器最先打出的是点。在打出c点时物块的速度大小为m/s(保留3位有效数字);物块下滑的加速度大小为m/s2(保留2位有效数字)。答案a0.2330.75解析物块沿倾斜的木板加速下滑时,纸带上打出的点逐渐变疏,故a点为先打出的点。vc=xbd2t=(5.86-1.20)10-220.1 m/s=0.233 m/sa=xce-xac(2t)2=(9.30-3.16-3.16)10-2(20.1)2 m/s20.75 m/s2变式2在做“研究匀变速直线运动”的实验中:(1)实验室提供了以下器材:打点计时器、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、弹簧测力计。其中在本实验中不需要的器材是。(2)如图甲所示是某同学用打点计时器得到的表示小车运动过程的一条清晰纸带,纸带上两相邻计数点间还有四个点没有画出,打点计时器打点的时间间隔t=0.02 s,其中x1=7.05 cm、x2=7.68 cm、x3=8.33 cm、x4=8.95 cm、x5=9.61 cm、x6=10.26 cm。甲表列出了打点计时器打下点b、c、f时小车的瞬时速度,请在表中填入打点计时器打下d、e两点时小车的瞬时速度。位置bcdef速度/(ms-1)0.7370.8010.994(3)以a点为计时起点,在坐标图乙中画出小车的速度-时间图线。乙(4)根据所画出的小车的速度-时间图线计算出小车的加速度a=m/s2。(5)如果当时电网中交变电流的频率是f=49 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(填“大”或“小”)。答案(1) 弹簧测力计(2) 0.8640.928(3) 图见解析(4)0.625(0.61 0.63)(5) 大解析(1)本实验中不需要测量力的大小,因此不需要的器材是弹簧测力计。(2)根据匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度可得vd=x3+x42(5t)=(8.33+8.95)10-220.1m/s=0.864 m/s同理可得ve=0.928 m/s。(3)根据数据描点连线,作出小车的速度-时间图线,如图所示。(4)在v-t图像中,图线的斜率表示加速度,则a=vt=1.00-0.700.52-0.04 m/s2=0.625 m/s2。(5)加速度a=xt2=xf2,因为实际频率低于50 hz,而计算时代入的仍是50 hz,所以会造成测量值比真实值偏大。考点三实验拓展和实验创新创新角度实验装置/原理图创新解读实验原理的创新1.滑块在斜面上靠重力沿斜面的分力与摩擦力的合力获得加速度2.挡光片经过光电门的平均速度作为滑块速度3.平均速度的大小与挡光片的长度有关1.物块在斜面上靠重力沿斜面的分力与摩擦力的合力获得加速度2.由纸带确定物块的加速度3.结合牛顿第二定律求动摩擦因数1.用滴水针头替代打点计时器打纸带2.小车在水平桌面上因摩擦做匀减速运动1.铁球靠重力产生加速度2.铁球由a到b的时间可由数字毫秒表读出3.铁球的加速度由xt-t图线分析得出例3(2019课标,22,5分)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0.1 s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=24.5 cm、ac=58.7 cm,则该地的重力加速度大小为g= m/s2。(保留2位有效数字)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解析(1)运动时间可由相机拍照的时间间隔来确定,不需要秒表与光电门。本实验中不需要测量小球的质量,故不需要天平。但需测量小球下落的距离,故需要米尺。(2)由于不知照相机的放大倍数,故不能通过测量小球在照片上下落的距离来获得小球的实际下落距离,所以只能将米尺与小球的运动拍摄在同一张照片中。因小球做自由落体运动,故米尺只能竖直放置。(3)由x=gt2得当地的重力加速度的大小为g=xt2=(0.587-0.245)-0.2450.12 m/s2=9.7 m/s2。变式3(2017课标,22,6分)某同学研究在固定斜面上运动物体的平均速度、瞬时速度和加速度之间的关系。使用的器材有:斜面、滑块、长度不同的矩形挡光片、光电计时器。实验步骤如下:如图(a),将光电门固定在斜面下端附近;将一挡光片安装在滑块上,记下挡光片前端相对于斜面的位置,令滑块从斜面上方由静止开始下滑;当滑块上的挡光片经过光电门时,用光电计时器测得光线被挡光片遮住的时间t;用s表示挡光片沿运动方向的长度如图(b)所示,v表示滑块在挡光片遮住光线的t时间内的平均速度大小,求出v;将另一挡光片换到滑块上,使滑块上的挡光片前端与中位置相同,令滑块由静止开始下滑,重复步骤、;多次重复步骤;利用实验中得到的数据作出v-t图,如图(c)所示。图(c)完成下列填空:(1)用a表示滑块下滑的加速度大小,用va表示挡光片前端到达光电门时滑块的瞬时速度大小,则v与va、a和t的关系式为v=。(2)由图(c)可求得,va=cm/s,a=cm/s2。(结果保留3位有效数字)答案(1)va+a2t(2)52.116.3解析(1)挡光片通过光电门的平均速度v等于t时间段的中间时刻的速度由v=v0+at可知v=va+at2(2)由v=va+12at结合题图(c)可知va=52.13 cm/s52.1 cm/s图(c)中图线的斜率k=12a,故滑块的加速度a=2k=16.3 cm/s21.(2018课标,22,6分)甲、乙两同学通过下面的实验测量人的反应时间。实验步骤如下:(1)甲用两个手指轻轻捏住量程为l的木尺上端,让木尺自然下垂。乙把手放在尺的下端(位置恰好处于l刻度处,但未碰到尺),准备用手指夹住下落的尺。(2)甲在不通知乙的情况下,突然松手,尺子下落;乙看到尺子下落后快速用手指夹住尺子。若夹住尺子的位置刻度为l1,重力加速度大小为g,则乙的反应时间为(用l、l1和g表示)。(3)已知当地的重力加速度大小为g=9.80 m/s2,l=30.0 cm,l1=10.4 cm。乙的反应时间为s。(结果保留2位有效数字)(4)写出一条能提高测量结果准确程度的建议:。答案(2)2(l-l1)g(3)0.20(4)多次测量取平均值;初始时乙的手指尽可能接近尺子解析本题考查自由落体运动的应用。(2)(3)木尺做自由落体运动,由位移公式可得l-l1=12gt2,解得t=2(l-l1)g=2(0.300-0.104)9.80 s=0.20 s。2.(2018河南郑州质检)在暗室中用如图甲所示装置做“测定重力加速度”的实验。实验器材有:支架、漏斗、橡皮管、尖嘴玻璃管、螺丝夹子、接水铝盒、一根荧光刻度的米尺、频闪仪。具体实验步骤如下:甲在漏斗内盛满清水,旋松螺丝夹子,水滴会以一定的频率一滴滴地落下。用频闪仪发出的白闪光将水滴流照亮,由大到小逐渐调节频闪仪的频率直到第一次看到一串仿佛固定不动的水滴。用竖直放置的米尺测得各个水滴所对应的刻度值。采集数据进行处理。(1)实验中看到空间有一串仿佛固定不动的水滴时,频闪仪的闪光频率满足的条件是。(2)实验中观察到水滴“固定不动”时频闪仪的闪光频率为30 hz,某同学读出其中比较远的水滴到第一个水滴的距离如图乙所示,根据数据可得当地的重力加速度g=m/s2;第8个水滴此时的速度v8=m/s。(结果都保留三位有效数字)乙(3)该实验存在的系统误差可能有(答出一条即可):。答案见解析解析(1)当后一水滴经过一个频闪间隔运动到前一水滴所在的位置时,可看到一串仿佛固定不动的水滴,即频闪仪的闪光频率等于水滴滴落的频率时,水滴仿佛不动。(2)g=h8-10-h6-82f2=(43.67-26.39)-(26.39-13.43)10-22302 m/s2=9.72 m/s2v8=h6-104f=(43.67-13.43)10-2430 m/s2.27 m/s。(3)空气阻力对水滴的运动产生影响,水滴滴落的频率不恒定也会对实验产生影响。3.(2017课标,22,5分)某探究小组为了研究小车在桌面上的直线运动,用自制“滴水计时器”计量时间。实验前,将该计时器固定在小车旁,如图(a)所示。实验时,保持桌面水平,用手轻推一下小车。在小车运动过程中,滴水计时器等时间间隔地滴下小水滴,图(b)记录了桌面上连续的6个水滴的位置。(已知滴水计时器每30 s内共滴下46个小水滴)图(a)图(b)(1)由图(b)可知,小车在桌面上是(填“从右向左”或“从左向右”)运动的。(2)该小组同学根据图(b)的数据判断出小车做匀变速运动。小车运动到图(b)中a点位置时的速度大小为m/s,加速度大小为m/s2。(结果均保留2位有效