高考物理复习实验研究匀变速直线运动

物理课标版第5讲试验：研究匀变速直线运动1/38基础梳理[试验目标]用打点计时器探究小车速度随时间改变规律。[试验原理]一、打点计时器1.作用:计时仪器,每隔0.02s打一次点。2.工作条件(1)电磁打点计时器:4~6V交流电源。(2)电火花计时器:220V交流电源。2/383.纸带上各点意义(1)表示和纸带相连物体在不一样时刻位置。(2)经过研究纸带上各点之间间隔,能够判断物体运动情况。3/38二、利用纸带判断物体是否做匀变速直线运动方法1.沿直线运动物体在连续相等时间不一样时刻速度分别为v1、v2、

v3、v4、…若v2-v1=v3-v2=v4-v3=…则说明物体在相等时间内速度增量相

等,由此说明物体在做匀变速直线运动,即a=

=

=

=…2.沿直线运动物体在连续相等时间内位移分别为x1、x2、x3、x4、

…若Δx=x2-x1=x3-x2=x4-x3=…则说明物体在做匀变速直线运动,且Δx=aT2。4/38三、速度、加速度求解方法1.“平均速度法”求速度vn=

,如图所表示。

2.“逐差法”求加速度a1=

,a2=

,a3=

,然后取平均值,

=

,这么使所给数据全部得到利用,以提升准确性。3.“图像法”求加速度由“平均速度法”求出多个点速度,画出v-t图线,图线斜率即为加

速度。5/38[试验器材]打点计时器、纸带、一端附有定滑轮长木板、小车、细绳、钩码、

刻度尺、电源。[试验步骤]1.把附有定滑轮长木板平放在试验桌上,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,并在绳另一端挂上适当钩

码,把纸带穿过打点计时器,并把纸带一端固定在小车后面,如图所

示。放手后,看小车能否在木板上平稳地加速滑行。6/383.把小车停在靠近打点计时器处,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点。取下纸带,换上新纸

带,重复试验三次。4.从三条纸带中选择一条比较理想纸带,舍掉开始一些比较密集点,在后面便于测量地方找一个开始点,以后依次每五个点取一个计数

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

距离x,并统计填入表中。位置编号012345t/s

x/m

v/(m·s-1)

7/385.计算出相邻计数点之间距离Δx1、Δx2、Δx3、…6.利用一段时间内平均速度等于这段时间中间时刻瞬时速度求得

各计数点1、2、3、4、5瞬时速度,填入上面表格中。7.增减所挂钩码数,再做两次试验。8/38[数据处理及试验结论]1.由试验数据得出v-t图像依据表格中v、t数据,在平面直角坐标系中仔细描点。作一条直线,使

同一次试验得到各点尽可能落到这条直线上,落不到直线上点,应均

匀分布在直线两侧,这条直线就是此次试验v-t图像,它是一条倾斜

直线如图所表示。9/382.由试验得出v-t图像深入得出小车运动速度随时间改变规

律。有两条路径进行分析:(1)小车运动v-t图像是一条倾斜直线如图所表示,当初间增加相同

值Δt,速度也会增加相同值Δv,由此得出结论:小车速度随时间均匀

改变。

(2)既然小车v-t图像是一条倾斜直线,那么v随t改变函数关系式为

v=kt+b,所以小车速度随时间均匀改变。10/38[注意事项]1.交流电源电压及频率要符合要求。2.试验前要检验打点计时器打点稳定性和清楚程度,必要时要调整振

针高度和更换复写纸。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,计时器工作后,再放开小车,当小车停顿运动时及时断开

电源。5.要预防钩码落地和小车跟定滑轮相撞,当小车抵达定滑轮前及时用手

按住它。11/386.牵引小车钩码个数要适当,以免加速度过大而使纸带上点太少,或

者加速度太小,而使各段位移无多大差异,从而使误差增大。加速度

大小以能在50cm长纸带上清楚地取得六七个计数点为宜。7.要区分打点计时器打出点与人为选取计数点,普通在纸带上每隔

四个点取一个计数点,即时间间隔为T=0.02×5s=0.1s。8.要多测几组数据,尽可能减小误差。9.描点时最好用坐标纸,在纵、横坐标轴上选取适当单位,用细铅笔认真描点。12/38[误差分析]1.依据纸带测量位移有误差。2.电源频率不稳定,造成相邻两点时间间隔不完全相等。3.纸带运动时打点不稳定引发测量误差。4.用作图法,作出v-t图像并不是一条直线。5.木板粗糙程度并非完全相同,这么测量得到加速度只能是所测量

段平均加速度。13/38考点一试验原理与操作典例1

[天津理综,9(2)]某同学利用图示装置研究小车匀变速直

线运动。

14/38①试验中,必要办法是

。A.细线必须与长木板平行B.先接通电源再释放小车C.小车质量远大于钩码质量D.平衡小车与长木板间摩擦力②他试验时将打点计时器接到频率为50Hz交流电源上,得到一条纸

带,打出部分计数点如图所表示(每相邻两个计数点间还有4个点,图中

未画出)。s1=3.59cm,s2=4.41cm,s3=5.19cm,s4=5.97cm,s5=6.78cm,s6=7.6

4cm。则小车加速度a=

m/s2(要求充分利用测量数据),打

点计时器在打B点时小车速度vB=

m/s。(结果均保留两位有

效数字)15/38

答案①AB②0.800.40解析①若细线与长木板不平行,伴随小车逐步靠近滑轮,细线与水平

方向夹角增大,小车所受协力随之改变,所以小车加速度发生改变,

即小车不做匀变速直线运动,故细线必须与长木板平行,A选项必要。先

接通电源,待打点计时器稳定工作后再释放小车,点迹按匀变速运动规

律显现在纸带上;若先释放小车再接通电源,则开始阶段点迹不规律,误

差较大,故B项必要。该试验研究小车匀变速直线运动,与小车所受到

协力及协力大小计算无关,故C、D项无须要。16/38②交流电频率为f=50Hz,相邻两计数点间时间间隔t=0.1s,由逐差

法可求小车加速度。a=

=

m/s2=0.80m/s2vB=

=

m/s=0.40m/s17/38方法指导①在研究匀变速直线运动试验中,只需确保小车做匀变速直线运动,

与加速度大小和决定其大小原因无关,所以没必要要求小车质量

远大于钩码质量及平衡摩擦力。②为了减小误差,计算加速度时应用逐差法。在匀变速直线运动中,中

间时刻速度等于该段时间内平均速度(

=

)。

18/38甲如图甲所表示,将电磁打点计时器固定在铁架台上,使质量m=50g

重锤带动纸带由静止开始自由下落,利用此装置能够测量重力加速度。以下是某同学试验操作和计算过程,请完成以下内容:(1)以下操作正确是

。19/38A.在进行试验时,应先释放纸带,再打开电源B.打点计时器应接在220V交流电源上C.释放纸带时,应将重锤一端尽可能靠近打点计时器,方便打出更多

点进行研究D.试验中,应该让纸带保持竖直状态,以减小试验过程中误差(2)取下纸带,取其中一段标出计数点如图所表示,测出计数点间距离

分别为x1=2.60cm,x2=4.14cm,x3=5.69cm,x4=7.22cm,x5=8.75cm,x6=10.29

cm。已知打点计时器频率为f=50Hz,则重锤运动加速度计算式为

a=

,代入数据,可得加速度a=

m/s2(计算结果

保留三位有效数字)。乙20/38

答案(1)CD(2)

f29.60解析(1)在进行试验时,应先打开电源后释放纸带,A项错;电磁打点计

时器应接在4~6V低压交流电源上,B项错;释放纸带时,为打出更多点,

需将重锤一端尽可能靠近打点计时器,C项正确;试验中保持纸带竖直状

态,减小纸带与打点计时器之间摩擦,从而减小试验误差,D项正确。

(2)处理纸带数据时,为了更多地利用试验数据,采取逐差法,即a=

,又因为T=

,所以有a=

f2,代入数据,可得加速度a=9.60m/s2。21/38考点二数据处理和误差分析

典例2

(黑龙江大庆)如图1,某同学使用有透光狭缝钢条和光电计时器测量重力加速度。在钢条下落过程中,钢条挡住光源发出光时,计时器开始计时,透光时停顿计时;再次挡光,计时器将重新从零开始计时。试验中该同学将钢条竖起置于一定高度(下端A高于光控开关),由静止释放,测得先后两段挡光时间分别为t1和t2。图122/38(1)用游标卡尺分别测量钢条上AB和AC长度。若测量AB时游标卡尺

示数如图2所表示,则其长度值为

mm。

图2(2)AB和AC长度分别为L1和L2,若不计狭缝宽度,在BC挡光时间段,钢条下落平均速度是

,若钢条做自由落体运动,则重力加速度g=

。(3)钢条下落过程中受空气阻力作用,这将使测量结果

(填“大

于”或“小于”)真实值。在数据处理正确情况下,该同学发觉利用

(2)中加速度公式得到结果大于真实值,其原因是

。23/38答案(1)74.3(2)

(

-

)(3)小于未计狭缝宽度影响解析(1)依据游标卡尺读数规则,AB长度值为74mm+3×0.1mm=74.

3mm。(2)在BC挡光时间段,钢条下落平均速度是v1=

;在AB挡光时间段,钢条下落平均速度是v2=

,若钢条做自由落体运动,则有v1-v2=g(

+

),解得重力加速度g=

(

-

)。(3)钢条下落过程中受到空气阻力作用,这将使测量结果小于真实值。在数据处理正常情况

下,该同学利用(2)中加速度公式得到结果大于真实值,其原因是未计

狭缝宽度影响。24/38方法指导本试验参加计算量有计数点间距和打点周期,所以误差主要起源于相

邻两计数点之间距离测量和电源频率不稳定性。(1)交流电源频

率改变引发误差:交流电源频率出现波动时,打点周期会随之改变。

频率升高时,打点周期减小,因为计算时仍按照原打点周期值,各点瞬时速度测量值vn=

将偏小,加速度测量值a=

也会偏小。(2)位移测量引发误差:假如各计数点间位移较小或相邻计数点之间

位移之差较小,位移测量相对误差就会较大,从而造成速度和加速度

测量误差较大。25/38

在“探究小车速度随时间改变规律”试验中,某同学得到一条用

打点计时器打下纸带如图所表示,并在其中取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T=0.02s低压交流电源。他经过测量和计算得到打点计

时器打下B、C、D、E、F各点时小车瞬时速度,统计在表格中。26/38(1)打点计时器打下F点时,小车瞬时速度表示式为vF=

;(2)依据上面得到数据,以A点对应时刻为t=0时刻,在坐标纸上作出

小车速度随时间改变v-t图线。

(3)由v-t图线求得小车加速度a=

m/s2。(结果保留两位有效数字)对应点BCDEF速度/(m·s-1)0.1220.1640.2050.2500.28927/38答案(1)

(2)如图所表示

(3)0.42(0.41~0.43均正确)解析(1)打下F点时小车速度vF=

=

。(2)依据数据描点画线。(3)v-t图线斜率表示加速度。28/38考点三试验改进与试验创新

典例3

(纲领全国,22,6分)现用频闪摄影方法来研究物块变速运

动。在一小物块沿斜面向下运动过程中,用频闪相机拍摄不一样时刻

物块位置如图所表示。拍摄时频闪频率是10Hz;经过斜面上固定刻

度尺读取5个连续影像间距离依次为x1、x2、x3、x4。已知斜面顶端

高度h和斜面长度s。数据以下表所表示。重力加速度大小g=9.80m/s2。单位:cm29/38x1x2x3x4hs10.7615.0519.3423.6548.0080.00依据表中数据,完成以下填空:(1)物块加速度a=

m/s2(保留3位有效数字)。(2)因为

,可知斜面是粗糙。30/38答案(1)4.30(填“4.29”或“4.31”均可)(2)物块加速度小于g

=5.88m/s2(或:物块加速度小于物块沿光滑斜面下滑加速度)解析(1)a=

=

=4.30m/s2(2)见答案。31/38方法指导1.本题创新点分析:本题中用闪光照片替换了传统试验中纸带,但数据

处理方法与纸带处理方法相同。2.本试验还能够从以下方向进行创新(1)原理演化

32/38(2)数据处理①加速度取得:靠重物拉力取得加速度→长木板倾斜靠重力取得加

速度。②速度测量方法:由打点纸带求速度→测定遮光片宽度d和遮光片

经过光电门挡光时间Δt,由v=

求速度。③加速度测量方法:由打点纸带利用逐差法求加速度→利用经过两个

光电门瞬时速度,由速度位移关系式求加速度。

33/383-1

(河北唐山统测,22)某同学用频闪摄影法研究小球自由落体

运动,选择一张清楚频闪照片,剪掉前面小球重合部分进行研究。已知小球在释放位置时,球心与刻度尺零刻度线对齐。

(1)依据照片中刻度尺数据,请你读出小球运动到照片中第5个相点时,

下落高度为

m;(2)若所用摄影机曝光频率为f,照片上1、3相点距离和1、5相点距离

分别为s1、s2,则相点2所对应小球速度v=

,小球自由下落

加速度a=

。34/38(2)

解析(1)依据刻度