实验探究匀变速直线运动（原卷版）-2024年高考物理一轮复习讲义

第4讲实验探究匀变速直线运动

----划重点之精细讲义系列

■的魂蟀菌i

实验目的

i.练习使用打点计时器，学会用打上点的纸带研究物体的运动情况.

2.会利用纸带求匀变速直线运动的速度、加速度.

3.利用打点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。一/图象，根

据图象求加速度.

二.实验原理

1.打点计时器

(1)作用：计时仪器，交流电频率为50Hz时，每隔0.02s打一次点.

［电磁打点计时器：4V〜6V交流电源

⑵工作条件［电火花计时器：220V交流电源

(3)纸带上点的意义：

①表示和纸带相连的物体在不同时刻的位置.

②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.

③可以利用纸带上打出的点来确定计数点间的时间间隔.

2.利用纸带判断物体是否做匀变速直线运动的方法

设XI、X2、尤3、X4…为纸带上相邻两个计数点之间的距离，假如AX=X2-尤1=彳3—X2=X4

一X3=~=常数，即连续相等的时间间隔内的位移之差为恒量，则与纸带相连的物体做匀变

速直线运动.

3.由纸带求物体运动速度的方法

根据匀变速直线运动某段时间中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度V„=(xn

+x"+i)/2T.

4.由纸带求物体运动加速度的方法

(1)逐差法：即根据尤4—为=尤5—尬=尤6-X3=3a/(T为相邻两计数点之间的时间间隔)，

忐中(X4-X1)(X5—X2)(X6-X3)市笛山2班出梏(的+―+二)

求出。1=-萍一，。2=-yp,­，。3=~萍一，冉算出。1、。2、。3的平均值。一：—

(X4+X5+X6)-(X1+X2+.V3),,.,,,、士』

----------田---------即为Hr物1体的加速度.

(2)图象法：求出打各个计数点时纸带的瞬时速度，再作出。一，图象，图象的斜率即为

物体做匀变速直线运动的加速度.

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.实验装置见下图所示，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T=0.1s.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。一,图象

(1)根据表格中的。、f数据，在平面直角坐标系中仔细描点，如右图所示可以看到，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。一，图象，它是一条倾斜的直线.

2.由实验得出的。一，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。一/图象是一条倾斜的直线，如图所示，当时间

增加相同的值Ar时，速度也会增加相同的值A。，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v-t图象是一条倾斜的直线，那么。随f变

化的函数关系式为。=厄+6,显然。与f成“线性关系”，小车的速度随时间均匀变化.

划直点

①注意事项

1.平行：纸带、细绳要和木板平行.

2.两先两后：实验中应先接通电源，后让小车运动；实验完毕应先断开电源，后取纸

带.

3.防止碰撞：在到达长木板末端前应让小车停止运动，防止钩码落地和小车与滑轮相

撞.

4.减小误差：小车的加速度宜适当大些，可以减小长度的测量误差，加速度大小以能

在约50cm的纸带上清楚地取出6~7个计数点为宜.

5.作出速度一时间图象，通过图象的斜率求解物体的加速度.

6.剪下相邻计数点的纸带紧排在一起求解加速度.

②误差分析

1.小车运动时摩擦不均匀，打点不稳定引起的系统误差.

2.纸带上计数点间距测量以及作v-t图象引起的偶然误差.

跑.也考点4笫

考点一实验原理及操作

【典例1］在“研究匀变速直线运动”的实验中，某同学的操作中有以下实验步骤，其

中错误或遗漏的步骤有

(指出错误并改正，遗漏步骤可编上序号G、H、…)

A.拉住纸带，将小车移至靠近打点计时器处，先放开纸带，再接通电源

B.将打点计时器固定在平板上，并接好电源

C.把一条细绳拴在小车上，细绳跨过滑轮，下面吊着适当重的钩码

D.取下纸带

E.将平板无滑轮的一端抬高，轻推小车，使小车能在平板上做匀速运动

F.将纸带固定在小车尾部，并穿过打点计时器的限位孔

将以上步骤完善后按合理顺序填写在横线上_______.

考点二实验数据处理

【典例2】实验中，如图所示为一次记录小车运动情况的纸带，图中A、B、C、。、E

为相邻的计数点，相邻计数点间的时间间隔T=0.1s.

ABC弓(单位:

-27.60

(1)根据纸带可判定小车做运动.

(2)根据纸带计算各点瞬时速度：VD=m/s,Oc=m/s,独=

m/s.在如图所示坐标中作出小车的v-t图线，并根据图线求出纸带的加速度a=.

60.10.20.30.46.5t/s

⑶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

考点三实验改进拓展创新

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.

1.实验器材的改进

由遮光片的宽度d和遮光片

挡光时间加求速度。

=5由纸带求速度

2.获得加速度方法的改进

替代

长木板倾斜靠重力获得加速度，如图甲、乙所示一►靠重物的拉力获得加速度.

【典例31某同学用图(a)所示的实验装置测量物块与斜面之间的动摩擦因数.已知打点

计时器所用电源的频率为50Hz,物块下滑过程中所得到的纸带的一部分如图(b)所示，图中

标出了五个连续点之间的距离.

EDCBA

)・::・二""

H-3.78山3.65-3.523.39—►!cm

(b)

⑴物块下滑时的加速度a=m/s2,打C点时物块的速度v=m/s；

(2)已知重力加速度大小为g,为求出动摩擦因数，还必须测量的物理量是।

正确答案标号).

A.物块的质量

B.斜面的高度

C.斜面的倾角

【典例4】光电计时器也是一种研究物体运动情况的常用计时仪器，其结构如图甲所示,

小。分别是光电门的激光发射和接收装置，当有物体从。、。间通过时，光电计时器就可以

精确地把物体从开始挡光到挡光结束的时间记录下来.现利用图乙所示的装置测量滑块和长

木板间的动摩擦因数，图中MV是水平桌面，。是长木板与桌面的接触点，1和2是固定在

长木板适当位置的两个光电门，与之连接的两个光电计时器没有画出，长木板顶端尸点悬

有一铅锤.实验时，让滑块从长木板的顶端滑下，光电门1、2各自连接的计时器显示的挡

3

光时间分别为LOXIOrs和4.0X10-s.用精度为0.05mm的游标卡尺测量滑块的宽度d,

其示数如图丙所示.

甲乙

123cm

05101520

丙

⑴滑块的宽度d=cm.

(2)滑块通过光电门1时的速度%=m/s,滑块通过光电门2时的速度改=

m/s.(结果保留两位有效数字)

(3)由此测得的瞬时速度Vl和。2只是一个近似值，它们实质上是通过光电门1和2时的

，要使瞬时速度的测量值更接近于真实值，可将的宽度减小一些.

【典例5】研究小车匀变速直线运动的实验装置如图甲所示，其中斜面倾角。可调.打

点计时器的工作频率为50Hz.纸带上计数点的间距如图乙所示，其中每相邻两点之间还有4

个记时点未画出.

(1)部分实验步骤如下：

A.测量完毕，关闭电源，取出纸带

B.接通电源，待打点计时器工作稳定后放开小车

C.将小车停靠在打点计时器附近，小车尾部与纸带相连

D.把打点计时器固定在平板上，让纸带穿过限位孔

上述实验步骤的正确顺序是：(用字母填写).

(2)图乙中标出的相邻两计数点的时间间隔T=s.

⑶计数点5对应的瞬时速度大小计算式为05=.

（4）为了充分利用记录数据，减小误差，小车加速度大小的计算式应为。=.

a尔国统§

一、实验题

1.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、铝盒、一根荧光刻度的米尺、频闪仪。具体实验步骤如下:

漏斗

橡皮管

尖嘴玻璃管

支架、

铝盒

（甲）

①在漏斗内盛满清水，旋松螺丝夹子，水滴会以一定的频率先一滴滴地落下；

②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闪光频率左直到第一

次看到一串仿佛固定不动的水滴；

③用竖直放置的米尺测得各个水滴所对应的刻度；

④采集数据进行处理。

（1）实验中第一次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o

（2）实验中观察到水滴"固定不动"时的闪光频率为30Hz,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，根据数据测得当地重力加速度g=m/s2；

第8个水滴此时的速度%=m/so（结果均保留三位有效数字）

123456'7)1()

•***T

<-------13.43------->1

<---------19.36------------…单位：cm

'_________ZU."a//Q，

-----------------------43.67------------->

（乙）

（3）该实验存在造成系统误差的原因可能有（答出一条即可）：-

2.某物理小组利用图甲所示的装置测当地的重力加速度g,在铁架台上安装两个光电门，

光电门1固定，光电门2可上下移动。将电磁铁通电，小铁球静止在电磁铁下端，调整两光

电门的位置，让电磁铁断电后，小球沿竖直线通过两个光电门，光电计时器能记录小铁球从

光电门1运动至光电门2的时间Zo

♦干个光电门1

耳光电门2

■「收集盆

甲

（1）用游标卡尺测量小铁球的直径，测量结果如图乙所示，则小铁球的直径。=

cm；

23cm

m苗小外出小

0102(

乙

（2）使小铁球由静止下落，用铁架台上的固定刻度尺测出两个光电门之间的距离力，及对

应的运动时间Zo保证光电门1的位置不变，多次改变光电门2的高度，并测出多组，和t,

以为纵坐标，以f为横坐标，作出的关系图线如图丙，不考虑小铁球直径对实验的影响，

则纵截距的含义是；当地重力加速度的测量值g=m/s2（结果保留

两位有效数字）。

（3）如果考虑空气阻力对实验的影响，则重力加速度的测量值与真实值相比

（填"偏小""相等"或"偏大"）o

3.如图甲所示是运用DIS实验的位移传感器测定小车运动规律的实验装置图。

（1）固定在小车上的发射器不断地向接收器发出短暂的超声波脉冲和红外线脉冲，从而测

量物体运动的一些物理量。超声波脉冲红外线脉冲（填"快于"或"慢于"）。

（2）图乙是通过传感器、数据采集器，再经过计算机所绘制的小车运动的速度-时间图像。

由该图像可以求出小车加速度的大小为a=m/s2；小车的运动方向是（选

填"向左"或"向右"）运动。

4.某同学利用图示装置研究小车的匀变速直线运动。

接电源

（1）实验中，必要的措施是

A.先释放小车再接通电源

B.先接通电源再释放小车

C.将小车放在靠近打点计时器的一端

D.将小车放在远离打点计时器的一端

（2）他实验时将打点计时器接到频率为100Hz的电源上，得到一条纸带，打出的部分计数

点如下图所示（每相邻两个计数点间还有9个点，图中未画出）。

Si=3.59cm,s2=4.41cm,s3=5.19cm,s4=5.97cm,s5=6.78cm,s6=7.64cm,

则小车的加速度的m/s2（充分利用测量的数据），打点计时器在打2点时小车

的速度与=m/so（结果均保留两位有效数字）

5.研究物体做匀变速直线运动的情况可以用打点计时器，也可以用光电门传感器。一组同

学用如图所示装置研究匀变速直线运动。滑块放置在水平气垫导轨的右侧，并通过跨过定滑

轮的细线与一沙桶相连，滑块与定滑轮间的细线与气垫导轨平行。滑块上安装了宽度为3.0

cm的遮光条，将滑块由静止释放，先后通过两个光电门，配套的数字计时器记录了遮光条

通过第一个光电门的时间为0.015s,通过第二个光电门的时间为0.010s,遮光条从开始遮

住第一个光电门到开始遮住第二个光电门的时间为0.250s。则滑块的加速度大小为

m/s2,若忽略偶然误差的影响，测量值与真实值相比（选填"偏

大""偏小"或"相同"）。

6.某一学习小组的同学想通过打点计时器在纸带上打出的点迹来探究小车速度随时间变化

的规律，实验装置如图所示。

接电源

（1）常见的打点计时器使用的是电源（"直流"或"交流"）;

（2）关于本实验，下列说法正确的是;

A.释放纸带的同时，按通电源

B.先接通电源打点，后释放纸带运动

C.先释放纸带运动，后接通电源打点

D.纸带上的点迹越密集，说明纸带运动的速度越小

（3）该小组在规范操作下得到一条点迹清晰的纸带如图所示，在纸带上依次选出7个计数

点，分别标上。、A、B、C、D、E和F,每相邻的两个计数点间还有四个点未画出，打点

计时器所用电源的频率是50Hz。

OABCDEF

1与1必1%3Tx

><><><4%5%6

|«|||工>工|<>|

①如果测得C、。两点间距久4=2.70cm,D、E两点间距整=2.90cm,则打。点时小车的

速度攻）=m/s（结果保留3位有效数字）；

②该同学分别算出其他各点的速度：%=0.220m/s,vB=0.241m/s,vc=0.258m/s,vE=

0.300m/s,请在如图所示的坐标系中作出小车运动的17-t图像，并说明小车速度

（填"交流8V"或"交流220V"）电源，电源

频率为50Hz时，如果每相邻的计数点间还有4个点未标出，则相邻两个计数点的时间间隔

为So

（2）在“练习使用打点计时器”的实验中，某同学选出了一条清晰的纸带，并取其中的A、B、

C..五个点进行研究，这五个点和刻度尺标度对应的位置如图所示。可求出A、C间的距离

为cm。

012345678910cm

IIIIIIIIIIIIU山iiiliiMuiiliiuhiiiLiiliiiiliiiiliiiiliiuluiiliiMuiiliiuhiiiLuhiiil

IIIII

IIIIII

（3）在"探究小车速度随时间变化规律”的实验中:

（a）下列操作中正确的有

A.在释放小车前，小车要靠近打点计时器

B.打点计时器应放在长木板的有滑轮一端

C.应先接通电源，后释放小车

D.电火花计时器应使用低压交流电源

（b）某同学用如图（a）所示的装置测定匀加速直线运动的加速度，打出的一条纸带如图（b）

所示，A、B、C、D、£为在纸带上所选的计数点，相邻计数点间的时间间隔为0.1s：

电源插头

ABCDE

♦♦♦♦♦

IIIII

A：24.00^<一说/，•

------5200小单位：mm;

----------:------84.00-

<-------------------------------120.00——►:

图(a)图(b)

回.打点计时器打下C点时小车的速度大小为m/s；

0.由纸带所示数据可算出小车的加速度大小为m/s2o

8.小华同学在"研究匀变速直线运动”的实验中，将打点计时器固定在某处，在绳子拉力的

作用下小车拖着穿过打点计时器的纸带在水平木板上运动，如图1所示。由打点计时器得到

表示小车运动过程的一条清晰纸带的一段。如图2所示，在打点计时器打出的纸带上确定出

八个计数点，相邻两个计数点之间的时间间隔为0.1s,并用刻度尺测出了各计数点到。计数

点的距离，图中所标数据的单位是cm。

电源插头

图1

3.35

11.35

15.95----------►1

——21.0^---------

->

------独旦32.45

图2

（1）小华利用家庭电源来做实验，因此应该选择打点计时器，工作电压为

（2）根据纸带提供的信息，小华同学已经计算出了打下1、2、3、4、5这五个计数点时小

车的速度、请你帮助他计算出打下计数点6时小车的速度（结果保留3位有效数字）并填入

（3）根据回图像可知，小车运动的加速度为m/s2（保留2位有效数字）。

9.某同学按如图所示装置做"探究小车速度随时间变化的规律"的实验。

直流电源6V

电磁打点

计时器

ABD

Ocml2345678910

乙

（1）释放小车时，实验装置如图甲所示，指出该装置或操作中错误的有

A.电磁打点计时器接在直流电源上了

B.应先接通电源，待打点稳定后再释放小车

C.小车离打点计时器过远

（2）如图乙为改正装置后打下的一条纸带的中间部分，4、B、C、D为其中连续打出的四

个点（已知打点计时器打点时间间隔T=0.02s）。由于操作不慎，C点模糊了，小明仍用此

纸带来研究。从图上可以读得A点在刻度尺上位置的读数为cm,在打下C点时小车

的速度最接近于m/s（结果保留三位有效数字）。

10.某探究小组同学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（。）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，滴水计时器滴下小水滴的时间间隔相等，图（6）记录了桌面上

连续的6个水滴的位置。（已知滴水计时器滴水的时间间隔为0.5s）

滴水针水式L

小车

左右