实验：研究匀变速直线运动规律-高中物理一轮复习提升素养导学案

第6讲实验，研究匀变速直线运动规律

学习目标

明确目标确定方向

i.掌握打点计时器的使用方法

2.研究匀变速直线运动规律

3.会利用纸袋求物理运动的速度和加速度

【知识回归】回归课本夯实基础

【实验原理】

1.打点计时器

⑴作用

计时仪器，当所用交流电源的频率f=50Hz时，每隔0.02s打一次点。

(2)工作条件

①电磁打点计时器：6V以下交流电源；

②电火花计时器：220V交流电源。

(3)处理纸带数据时区分计时点和计数点

计时点是指打点计时器在纸带上打下的点。计数点是指测量和计算时在纸带上所选取的点，要注意“每5个

点取一个计数点'与'每隔4个点取一个计数点”取点方法是一样的，时间间隔均为0.1So

2.匀变速直线运动的判断

(1)若物体在连续相等时间7内的位移之差Ax为一恒量，即心=”72,则物体做匀变速直线运动。

⑵利用“平均速度法”确定多个点的瞬时速度，作出物体运动的T图象，若图象是一条倾斜的直线，则物体

做匀变速直线运动。

3.求物体瞬时速度的方法

如图所示：

4.求物体加速度的方法

⑴“逐差法”求加速度

如图所示：

川二号1,声，的=军工然后取平均值，即。=以士用出，这样使所给数据全部得到利用,

以提高精确度。

⑵“图象法”求加速度

求出纸带上各计数点的瞬时速度，画出V—t图线，直线的斜率即表示加速度。

【实验器材】

打点计时器、纸带、一端附有定滑轮的长木板、小车、细绳、钩码、刻度尺、电源、导线。

【实验步骤】

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。实验装置见图实I-3所示，放手后，看小车能否在木板上平稳地加速滑行。

3.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，重匆:三次。

4.从几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

点的距离x,并记录填入表中。

位置编号012345

时间t/s

x/m

一］

v/(m・s)

5.计算出相邻的计数点之间的距离x、x、x、…。

123

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，

填入上面的表格中。

7.增减所挂钩码数，再做两次实验。

【数据处理及实验结论】

1.由实验数据得出v-t图象

⑴根据表格中的V、t数据，在平面直角坐标系中仔细描点，如图实1—4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。

v/(m-s-1)

2.由实验得出的v-t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)小车运动的I，一/图象是一条倾斜的直线如图所示，当时间增加相同的值加，速度也会增加相同的值Au，

由此得出结论：小车的速度随时间均匀变化。

(2)作一条直线，使同一次实验得到的各点尽量落在这条直线上，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V—/图象，它是•条倾斜的直线。

A

A

A

。AtNtNt

【误差分析】

i.根据纸带测录的位移有误差。

2.电源频率不稳定，造成相邻两点的时间间隔不完全相等v

3.纸带运动时打点不稳定引起测量误差。

4.用作图法，作出的入/图象并不是一条直线。

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。

【注意事项】

1.交流电源的电压及频率要符合要求。

2.开始释放小车时，应使小车靠近打点计时器。

3.先接通电源，计时器_L作后，再放开小午，当小午停止运动时及时断开电源。

（2）（2）打点计时器打点时间间隔为0.02s。

（3）⑶实验时先接通打点计时器电源后让纸带运动。故选A。

（5）［5〕打点计时器打计数点2时，小车的速度大小

⑹小车的加速度由逐差法可得

【例3】.某同学设计如图甲所示的实验装置探究加速度与力的关系。他在一端带有定滑轮的水平放置的长

木板上固定有人、8两个光电门，与光电门相连的计时器可以显示带有遮光片的物块在其间的运动时间，传

感器与跨过定滑轮的轻质细绳相连。

（1）用游标卡尺测量遮光片宽度如图乙所示，遮光片宽度”=cm。

（2）力传感器可以实时记录挂钩上力的大小，则下列说法正确的是。

A.丙图中（a）安装正确，实验中应保证沙和沙桶质量远小于物块和遮光片质量

B.丙图中（b）安装正确，实验中应保证沙和沙桶质量远小于物块和遮光片质量

C.丙图中（a）安装正确，实验中不需要保证沙和沙桶质量远小于物块和遮光片质量

D.丙图中（b）安装正确，实验中不需要保证沙和沙桶质量远小于物块和遮光片质量

（3）某次实验可以测得遮光片宽度为d,光电门A、8的遮光时间分别为乙、4,通过光电门A、8之间时

间为，。在数据处理时，物块运动的加速度的计算式应为（选择合适的测量字母表示）。

【详解】（1）［1］用游标卡尺测量遮光片宽度如图乙所示，遮光片宽度为

（2）［2］丙图中（b）安装正确，因为有力的传感器，可以直接测拉力的大小，所以实验中不需要保证沙和

沙桶质量远小于物块和遮光片质量。

故选Do

（3）⑶根据加速度定义式有

【巩固练习】举一反「提高能力

多选1.关于打点计时器的原理和使用方法，下列说法中正确的是（）

A.打点计时器应接交流电源，交流电源频率通常为50Hz

B.如果纸带上相邻两个计数点之间有四个点，则相邻两个计数点间的时间间隔是0.08s

C.如果打点计时器在纸带上打下的点先密集后稀疏，则说明纸带的速度由小变大

D.电磁打点计时器接在220V交流电源上，电火花计时器接在4〜6V交流电源上

1【答案】AC

【详解】A.打点计时器使用交流电，交流电源频率通常为50Hz,故A正确；

B.相邻两个点迹之间的时间间隔为0.02s,相邻两个计数点间的时间间隔是0.1s,故B错误；

C.如果打点计时器在纸带上打下的点先密集后稀疏，根据相邻两个点迹之间的时间间隔相同可知速度大相

邻两个点迹之间距禽大，故C正确；

D.电磁打点计时器使用4〜6V的低压交流电源，电火花打点计时器使用220V交流电源，故D错误。

故选ACo

2.打点计时器是高中物理实验中常用的实验器材，请你完成下列有关问题

（1）打点计时器是的仪器。

（2）如图A、B是两种打点计时器的图片，其中A是打点计时器，B是打点计时

器。

（3）打点计时器使用的电源为（选填交流或直流）电源，打点的时间间隔为0.02s。

下表列出了打点计时器打下B、C、E、Q时小车的瞬时速度，请在表中填入打点计时器打下。点时小车的

瞬时速度。

位置BCDEF

速度/(m/s)0.7370.801—0.9280.994

（6）根据你画出的小车的速度一时间图像计算出的小车的加速度。=m/s7结果保留两位有效数字）

电火花电磁交流0.864

0.64

【详解】（1）⑴打点计时器是计时的仪器;

(2)[2][3]A打点计时器有墨粉纸盒，为电火花打点计时器，B打点计时器有复写纸，可知为电磁打点计时

器;

⑷打点计时器使用的电源为交流电源;

(4)⑸根据题意可知，纸带上相邻计数点的时间间隔

根据匀变速直线运动中间时刻瞬时速度等于该过程平均速度

（5）⑹根据描点法可得速度一时间关系图线

（6）⑺在吁/图象中，图线的斜率表示加速度的大小则

3.打点计时器是高中物理实验中常用的实验器材，请你完成卜.列有关问题:

（1）打点计时器使用的电源为.（选填“交流〃或"直流”）电源;

（2）接通打点计时器电源和让纸带开始运动，这两个操作之间的时间顺序关系是

A.先接通电源，后让纸带运动

B.先让纸带运动，再接通电源

C.让纸带运动的同时接通电源

D.先让纸带运动或先接通电源都可以

（3）某次实验过程中，小车拖动纸带运动，用打点计时器打出一条纸带，如图所示，从某一清晰点开始,

描出0、A、B、C、。五个计数点［相邻两个计数点间有四个点未画出），用刻度尺量出各点与。点间距禽，

已知纸带的左端与小车相连接，所用电源的频率为50Hz,打下B点时小车运动的速度为__________m/s,

小车的加速度为m/s2（保留两位小数）；

（4）当电源频率高于50Hz时，如果仍按50Hz的时间间隔打一个点计算，则算出的速度测量值将比速度的

真实值___________（填大、小或相等）。

3【答案】交流A0.621.80小

【详解】（1）［1］打点计时器使用的电源为交流电源。

（2）⑵接通打点计时器电源和让纸带开始运动，这两个操作之间的时间顺序关系是先接通电源，后让纸带

运动，故A正确，BCD错误。

故选Ao

（3）［3］打下B点时小车运动的速度为

⑷由图知相邻两计数点之间的距离

由

得小车的加速度为

（4）⑸如果电源频率高于50Hz时，则由

可知，打点计时器的打点周期变小，而仍按50Hz的时间间隔打一个点计算，则计算中所用时间间隔偏大,

故速度的测量值与实际值相比会偏小。

4.某物理实验小组利用图甲所示装置研究匀变速直线运动，一端带有定滑轮的长木板放在水平实验台上，

小车在拉力作用下做匀加速直线运动。已知重物的质量远小于小车的质量，重力加速度为g。

（2）实验小组保持小车质量不变，改变重物的质量相，得到小车加速度。随重物质量机变化的规律图像如

图丙所示，由图可知，小车的质量为，小车运动过程受到的阻力大小为1.

（3）若上述测量时长木板不水平，左端较低，则真实的卬〃图线应该在图丙所示图线的（填“上

方”或吓方”）。

丙

【详解】(1)ll][2]A、C两点间的距离为

相邻计数点间的时间间隔为

T=O.ls

则打点计时器打B点时小车的速度大小为

由匀变速直线运动的推论有

(2)⑶⑷根据牛顿第二定律可得

根据所作图像可知

(3)[5]若木板左端较低，则f与真实值相比偏大，图线斜率不变，则真实图线在图丙所示图线上方。

5.(1)①某次实验使用电磁打点计时器来分析物体运动情况的实验中有如下基本步骤：

A.固定电磁打点计时器

B.安装纸带

C.松开纸带让物体带着纸带运动

D.接通低压交流电源

E.取下纸带

F.断开开关

这些步骤正确的排列顺序为c

②根据打点计时器所打的纸带，我们可以不利用公式就能直接得到的物理量是。

A.时间间隔B.位移C,加速度D.平均速度

位置BCDEF

0.7370.801—0.9280.994

ABCDEFG

乙

②以A点为计时起点，在图乙所示坐标系中画出小车的速度一时间关系图线o

【详解】（1）⑴根据实验的步骤匕知，实验中应先安装仪器，包括安装打点计时器和纸带，然后开始实验。

要注意先接通电源在释放纸带，完成后断开开关，取下纸带。所以正确的顺序为ABDCFE。

⑵根据打点计时器所打的纸带，再不利用公式的情况下，可以直接从纸带上得到的物理量为时间间隔和位

移。

故选AB。

（2）[3]己知打点计时器的时间间隔为0.02s,又因为每两个计数点间还有四个点未画出，所以相邻两个计

数点之间的时间间隔为

[4）D点的速度为

⑸将表格中的速度与时间一一对应，描点、作图，其速度一时间图像，如图所示

⑹在VT图像中，图像的斜率为加速度，由图像得

6.物理实验不仅要动手操作还要动脑思考，小明同学就注意到图甲所示的装置可以完成多个力学实验。

（1）探究速度随时间变化规律时，实验时有电磁打点计时器和电火花计时器，但只提供220V的交流电源，

小明应选用计时器。

某次实验中打出的纸带如图乙所示。已知相邻计数点间的时间间隔为0.1s,则小车的加速度a=m/s2

（保留2位有效数字）;

（2）利用上述数据测小车与水平长木板之间的动摩擦因数。已知小车总质量为〃?=0.5kg,钩码质量为M=0.1kg,

重力加速度取^=10m/s2,则小车与长木板间的动摩擦因数/,=；

（3）若实验中先平衡了摩擦力，用图甲装置（填"能"或"不能”）验证小车和钩码组成的系统机械能

守恒，理由是。

6【答案】电火花0.500.14不能系统除祛码重力做功外还有无法计算的小车的重

力做功。

【详解】（1）[1]电磁打点计时器使用的是8V左右的交流电压，电火花计时器的工作电压为220V,可知小

明应选用电火花计时器；

⑵图中有

根据

代人数据解得加速度

（2）⑶对整体分析，根据牛顿第二定律得

代人数据解得

（3）⑷⑸图甲装置不能验证小车和钩码组成的系统机械能守恒，理由是系统除祛码重力做功外还有无法计

算的小车的重力做功。

7.频闪摄影是研究变速运动常用的实验手段。在暗室中，频闪仪每隔一定时间发出一次短暂的强烈闪光,

在胶片上记录卜物体在几个闪光时刻的位置。左图是小球自由卜.落时的频闪照片示意图，频闪仪每隔7=5

s闪光一次。

cm

05Oo

2.2•-OA

49-OB

8.7—■OC

13.6--OD

19.6--OF

26.7--OF

3030303030

（1）表格中已给出记数点A、&D、K对应的瞬时速度且在图中标出，请计算出计数点C对应的速度并

在右图中标出来，同时拟合出V—f图像

记数点ABCDE

对应的速度v=0.66m/sv=0.98m/s—v=1.64m/sv=1.97m/s

（2）以下用来测量加速度的方法，可行的有

方法C：从UT图线上取相距较远的两点所对应的速度和时刻，用公式用h算出加速度

方法D：用量角器量出u—/图线的倾角仇查三角函数表得到tan。，则加速度a=tane

Ar

（3）用空表示各计数点的瞬时速度，从理论上讲，对&的要求是（选填“越小越好〃或“与大小

无美〃）；从实验的角度看，选取的Ar大小与速度测量的误差_________（选填"有关"或“无关”）。

【详解】（1）⑴⑵C点的速度

画出v-t图像如图

（2）⑶方法A中，取加速度的平均值后，只能用到第一组和最后一组数据，不利于减小偶然洪差；方法B

中，加速度取平均值后，仍能能用到所有的数据，可减小实验的偶然误差，则方法B正确，A错误；

根据实验数据画出vt图象，当纵坐标取不同的标度时，图象的倾角就会不同，所以量出其倾角，用公式242的

算出的数值并不是加速度，故方法D错误。

故选BC；

ZAr

（3）[4]⑸用后表示各计数点的瞬时速度，从理论上讲，对独的要求是似越小，则五越接近与瞬时速度，

则要求加越小越好；从实验的角度看，选取的Ax大小与速度测量的误差有关；Ax越大，瞬时速度测量的

误差就越大。

8.某实验小组利用甲图所示的实验装置探究小车速度随时间变化的规律，电源频率为50Hz。乙图是实验中

打出的一条纸带，。点为打下的第一个点，从A点开始每打五八点取一个计数点依次标8、C、。、E、F、

Go

（1）下列说法正确的是

A.电火花打点计时器是靠振针和复写纸打点

B.电火花打点计时器应接220V的交流电源

C.实验时应先释放小车再接通电源

D.纸带运动时受到电火花打点计时器的阻力比电磁打点计时器小

（2）推测纸带的运动是加速运动还是减速运动？并说明理由（填“加速”或"减速〃）；理由：

（3）打出A点到打出8点的时间为

（4）打出C、E两点的时间内，小车的平均速度为m/s（保留两位有效数字）。

8【答案】BD加速相等时间间隔内，位移越来越大0.1s或者0.10s0.40

【详解】⑴[1]A.电火花打点计时器是靠电火花和墨粉打点的，故A错误:

B.电火花打点计时器的工作电源是220V的交流电源，故B正确；

C.实验时应先接通电源再释放小车，故C错误；

D.电火花打点计时器是靠电火花和墨粉打点的，电磁打点计时器是靠振针和复写纸打点的，振针打点时对

纸带有较大的阻碍作用，故D正确。

故选BD；

⑵⑵⑶。点为打下的第一个点，由纸带相邻两点间的距离越来越大可知，纸带的运动是加速运动；

⑶⑷从A点开始每打五个点取一个计数点，所以相邻计数点间的时间间隔为

⑷⑶小车的平均速度为

9.（1）利用打点计时器完成实验的过程中，一定要使用（选填"交流”或"直流”）电源，在纸带

上直接打出的相邻两个计时点间的时间间隔为。在“练习使用打点计时器”的实验中，一位同

学用手拉动纸带的方式打出了甲、乙两条纸带，可以判定甲图对应的拉动纸带速度（选填“较大”

或做小”）；

甲

乙

（2）在“探究小车速度随时间变化的规律〃的实验中，一位同学这样处理纸带：每隔4个计时点取1个计数

点，并且用某个计数点的前后两个计数点间的平均速度代表这个计数点的瞬时速度，在下面的表格里，展

示了他的实验记录和数据整理（部分），根据这位同学的做法完成下列内容。

不%&%

各计数点刻度值（（cm）

5.009.0114.0220.026.9835.0143.9

各计数点对应的时刻。（O0A

小车在各计数点的瞬时速度-（nVs）/B0.846/

①相邻两个计数点之间的时间间隔为s；

②在对各计数点刻度值心的记录中，一定有错误的是（从“-%、4、々、七、5、/、4”中选

填）;

③"各计数点对应的时刻。”一行中的A应填为:

④"小车在各计数点的瞬时速度广一行中的3应填为:

9【答案】交流0.02s较小0.1x3和xC0.40.5500.987

【详解】⑴打点计时器使用交流电源,频率为50Hz,打点周期为0.02S。

⑶打点越密，相同时间内位移越小，速度越小。

(2)⑷每隔4个计时点取1个计数点，所以时间间隔为0.1s.

⑸在对各计数点刻度值X”的记录中，结果都保留的2位小数，只有x3和x6保留了一位。

⑹取的第5个计数点，第一个计数点时间为0,所以第5个为0.4so

⑺瞬时速度等于中间时刻平均速度，有

⑻根据已求得的瞬时速度有

10.一位同学用如图1所示的实验装置来探究恒力作用下物体速度y与位移x的关系，请你回答下列问题:

(1)关于该实验，下列说法中正确的是O

A.需要调节气垫导轨使其保持水平

B.需要保证檀码的质量远小于滑块的质量

C.实验中每次释放滑块时要确保滑块到光电门的距离保持不变

D.测量滑块的位移时，应测量固定在滑块上的遮光条释放点到光电门间的距离

(2)为了测量滑块到达光电门时的速度，需先测量遮光条的宽度。用游标卡尺测量测量遮光条宽度时的情

景如图2所示，则该遮光条的宽度为d=mm。

12cm

IIIIIIIIII1,1,11J,1,1I1,1II

111111riiIriii।iiiI

1020

图2

10【答案】D3.151.23偏小

【详解】(1)考行学生对实验原理的理解，本实验只需要保证“外力恒定”即可，不需要测量外力，故

A、B错误;

C.实验目的是测“速度v随位移x变化的规律〃，位移是“变量”，需要改变滑块释放时距离光电门的距离，

故C错误；

D.该实验是借助遮光条来测滑块的速度的，故测位移时应测量遮光条到光电门的距离，故D正确。

故选Do

（2）⑵由图2可知,实验所用为“20分度〃的游标卡尺,其游标尺的最小分度值为

而图中显示"游标尺的第3个刻度”与"主尺6mm刻度线”对齐，所X,主尺与有标尺的零刻度线间的距离即两

测量爪间的距离，亦即遮光条的宽度为

（3）[3]根据瞬时速度的定义可知，遮光条通过光电门的瞬时速度近似为

⑷因滑块做匀加速直线运动，根据推论

V.

所以理论上看，测量速度v小于遮光条中线到达光电门的速度：，故填“偏小”。

里m

48

0|=-

B藩9

0