江苏版2023版高三一轮总复习物理第1章实验1研究匀变速直线运动

10/10研究匀变速直线运动教材原型实验实验原理与操作1．打点计时器要求：电磁打点计时器用“8V,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。eq\o([题组训练])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BECADF2．(2021·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)除打点计时器、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＝eq\f(xAE,4T)＝eq\f(0.1252－0.0314,4×0.02)m/s＝1.17m/s根据公式Δx＝gT2得，即g＝eq\f(xCE－xAC,2T2)代入数据可得g＝eq\f(0.1252－0.0705－(\a\vs4\al\co1(0.0705－0.0314)),0.042)m/s2＝9.75m/s[答案](1)AC(2)左(3)1.179.75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图像时，要适当选取坐标轴的单位长度，使图像分布在坐标平面尽量大的面积上。eq\o([题组训练])1．(2021·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”(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＝eq\f(x12＋x23,2T)＝0.47m/s。(2)由逐差法可得：a＝eq\f(7.72＋7.10＋6.45×10－2－5.70＋5.00＋4.30×10－2,9×0.102)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)0.1220.1640.2050.2500.289对应点BCDEF(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图像，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＝eq\f(xEG,2t)＝eq\f(d6－d4,10T)。(2)作出v­t图像(图像略)，根据图线斜率可解得a＝eq\f(Δv,Δt)≈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)eq\f(d6－d4,10T)(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。实验器材的创新图1图21．用手机拍摄物体自由下落的视频，再从视频中间隔相等的时间截取分帧图片替代打点计时器和纸带。2．根据分帧图片上刻度尺的刻度计算物体下落的位移及重力加速度替代研究纸带运动的加速度。实验原理的创新1．匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于该段时间内的平均速度。2．分析eq\o(v,\s\up6(－))与vA、a、L和Δt的关系式，并求出加速度a的大小。实验过程的创新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eq\f(x,t)­t图像分析得出。eq\o([题组训练])1．(实验器材的创新)(2020·江苏卷)疫情期间“停课不停学”，小明同学在家自主开展实验探究。用手机拍摄物体自由下落的视频，得到分帧图片，利用图片中小球的位置来测量当地的重力加速度，实验装置如题图1所示。图1图2(1)家中有乒乓球、小塑料球和小钢球，其中最适合用作实验中下落物体的是________。(2)下列主要操作步骤的正确顺序是________。(填写各步骤前的序号)①把刻度尺竖直固定在墙上②捏住小球，从刻度尺旁静止释放③手机固定在三角架上，调整好手机镜头的位置④打开手机摄像功能，开始摄像(3)停止摄像，从视频中截取三帧图片，图片中的小球和刻度如题图2所示。已知所截取的图片相邻两帧之间的时间间隔为eq\f(1,6)s，刻度尺的分度值是1mm，由此测得重力加速度为________m/s2。(4)在某次实验中，小明释放小球时手稍有晃动，视频显示小球下落时偏离了竖直方向。从该视频中截取图片，________(选填“仍能”或“不能”)用(3)问中的方法测出重力加速度。[解析](1)要测量当地重力加速度需要尽量减小空气阻力的影响，所以密度大体积小的小钢球最适合。(2)要完成实验首先应该将刻度尺竖直固定在墙上，安装好三脚架，调整好手机摄像头的位置；因为下落时间很短，所以一定要先打开摄像头开始摄像，然后在将小球从刻度尺旁静止释放，故顺序为①③④②。(3)由三张图片读出小球所在位置的刻度分别为2.50cm，26.50cm,77.20cm；小球做自由落体运动，根据Δx＝gT2可得g＝eq\f(Δx,T2)＝eq\f(77.20－26.50×10－2－26.50－2.50×10－2,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,6)))eq\s\up24(2))m/s2＝9.61m/s2。(4)因为就算小球偏离了竖直方向，但是小球在竖直方向上的运动依然是自由落体运动，对实验结果无影响，故仍能用前面的方法测量出重力加速度。[答案](1)小钢球(2)①③④②(3)9.61(9.5～9.7)(4)仍能2．(实验器材的创新)(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＝______[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＝eq\f(Δx,T2)＝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)9.73．(实验原理的创新)(2021·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eq\o(v,\s\up6(－))，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eq\x\to(v)，记录数据并作出eq\x\to(v)­t图像如图乙所示。根据图像，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：eq\o(v,\s\up6(－))2＝2aL，解得：a＝eq\f(\o(v,\s\up6(－))2,2L)。(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＋eq\f(1,2)at2，则eq\o(v,\s\up6