2019版高考物理总复习实验创新增分专题一研究匀变速直线运动学案201805173111.wps
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1、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 vt 图象,根据图 象求加速度。 二、实验原理 1匀变速直线运动的判断 (1)若物体在连续相等时间 T 内的位移之差 x 为一恒量,即 xaT2,则物体做匀变速 直线运动。 (2)利用“平均速度法”确定多个点的瞬时速度,作出物体运动的 vt 图象,若图象是一 条倾斜的直线,则物体做匀变速直线运动。 2由纸带计算某点的瞬时速度 根据匀变速直线运动某段时间内的平均速度等于该段时间中间时刻的瞬时速度 vn 1 xnxn
2、1 来计算。 2T 3利用纸带求物体加速度的两种方法 (1)逐差法 x4x1 根据 x4x1x5x2x6x33aT2(T 为相邻计数点之间的时间间隔),求出 a1 ,a2 3T2 x5x2 x4x5x6x1x2x3 x6x3 a1a2a3 ,a3 ,然后取平均值,即a ,即为物 3T2 3T2 3 9T2 体的加速度。 (2)图象法 xnxn1 利用 vn 求出打各点时纸带的瞬时速度,然后作出 vt 图象,用 vt 图象的斜率 2T 求物体运动的加速度。 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
3、 1仪器安装 (1)把一端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。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
4、时间单位,即 计数点的时间间隔为 T0.1 s。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 1由实验数据得出 vt 图象 2 (1)根据表格中的 v、t 数据,在直角坐标系中仔细描点。 (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,落不到直线上的各点应 均匀分布在直线的两侧,这条直线就是本次实验的 vt 图线,它是一条倾斜的直线,如图所示。 2由实验得出的 vt 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
5、途径进行分析: (1)直接分析图象的特点:小车运动的 vt 图象是一条倾斜的直线,如图所示,当时间增 加相同的值 t,速度也会增加相同的值 v,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分析:既然小车的 vt 图象是一条倾斜的直线,那么 v 随 t 变化 的函数关系式为 vktb,显然 v 与 t “成 线性关系”,小车的速度随时间均匀变化。 考点 1 基础实验 例 1 实验中,如图甲所示为一次记录小车运动情况的纸带,图中 A、B、C、D、E 为相 邻的计数点,相邻计数点间的时间间隔 T0.1 s。 3 (1)根据纸带可判定小车做_运动。 (2)根 据 纸 带 计 算
6、各 点 瞬 时 速 度 : vD _m/s, vC _m/s, vB _m/s。在如图乙所示坐标中作出小车的 vt 图线,并根据图线求出纸带的加速度 a _。 (3)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 _。 解析 (1)根据纸带提供的数据可知 xBCxABxCDxBCxDExCD12.60 cm,故小车做匀 加速直线运动。 xAExAC 105.6027.60 102 (2)vD m/s 2T 0.2 3.90 m/s xADxAB 60.307.50 102 vC m/s 2T 0.2 2.64 m/s xAC
7、27.60 102 vB m/s1.38 m/s 2T 0.2 如图所示描点连线得 vt 图线,由图线斜率知纸带的加速度 a12.60 m/s2。 (3)由图知交点的速度约为 0.12 m/s,表示小车经过 A 点的速度。 4 答案 (1)匀加速直线(或匀加速) (2)3.90 2.64 1.38 12.60 m/s2 图见解析 (3)0.12 表示小车经过 A 点的速度 误差分析 (1)偶然误差 纸带上计数点间距测量有偶然误差,故要多测几组数据,以尽量减小误差。 用作图法作出的 vt 图象并不是一条直线。为此在描点时最好用坐标纸,在纵、横轴上 选取合适的单位,用细铅笔认真描点。 (2)系统误
8、差 纸带运动时摩擦不均匀,打点不稳定引起误差,所以安装时纸带、细绳要与长木板平行, 同时选择符合要求的交流电源的电压及频率。 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。 可在木板上铺一层白纸或换用气垫导轨。 1某同学用打点计时器“研究小车的匀变速直线运动”,他将打点计时器接到频率为 50 Hz的交流电源上,实验时得到一条纸带如图所示,他在纸带上便于测量的地方选取第一个计 数点,在这点下标明 A,第六个点下标明 B,第十一个点下标明 C,第十六个点下标明 D,第二 十一个点下标明 E。测量时发现 B 点已模糊不清,他只测得 AC 长为 14.56 cm,CD 长
9、为 11.15 cm,DE 长为 13.73 cm。 (1)为了探究匀变速直线运动的规律,该同学所取的计时点个数_(填字母序号)。 A偏少 B偏多 C合适 (2)若小车做匀变速直线运动,由该同学所测的实验数据,请你帮他求出:打 C 点时小车 的瞬时速度 vC_m/s,小车的加速度 a_m/s2,AB 的距离应为_cm, 打 A 点时小车的瞬时速度 vA_m/s。(结果均保留三位有效数字) 答案 (1)A (2)0.986 2.58 5.99 0.470 解析 (1)本实验根据匀变速直线运动的推论公式 xaT2可以求出加速度的大小,应多 取一些数据,根据逐差法求出加速度,再求平均值,而该同学所取
10、的计时点个数偏少,故选 A。 (2)由题意可知相邻的计数点间的时间间隔 T0.1 s,根据匀变速直线运动中间时刻的瞬 xAE 0.14560.11150.1373 时速度等于该过程中的平均速度,得 vC m/s0.986 m/s。根 4T 0.4 据匀变速直线运动的推论公式 xaT2可以求出加速度的大小,xDExCDxaT2,a2.58 m/s2;xDExCDx2.58 cm,xCDxAB2x,所以 xABxCD2x5.99 cm;根据匀变速直 线运动速度时间公式得 vCvAa2T,解得 vA0.986 m/s0.22.58 m/s0.470 m/s。 5 2某同学利用如图甲所示装置研究小车的
11、匀变速直线运动。 (1)实验中,必须的措施是_。 A细线必须与长木板平行 B先接通电源再释放小车 C小车的质量远大于钩码的质量 D平衡小车与长木板间的摩擦力 (2)他实验时将打点计时器接到频率为 50 Hz 的交流电源上,得到一条纸带,打出的部分 计数点如图乙所示(每相邻两个计数点间还有 4 个点,图中未画出)。s13.59 cm,s24.41 cm, s3 5.19 cm, s4 5.97 cm, s5 6.78 cm, s6 7.64 cm。 则 小 车 的 加 速 度 a _m/s2(要求充分利用测量的数据),打点计时器在打B点时小车的速度vB_m/s。 (结果均保留两位有效数字) 答案
12、 (1)AB (2)0.80 0.40 解析 (1)实验时,细线必须与长木板平行,以减小实验的误差,A 正确;实验时要先接 通电源再释放小车,B 正确;此实验中没必要使小车的质量远大于钩码的质量,C 错误;此实 验中不需要平衡小车与长木板间的摩擦力,D 错误。 (2)相邻的两计数点间的时间间隔 T0.1 s,由逐差法可得小车的加速度 s6s5s4s3s2s1 a 9T2 7.646.785.975.194.413.59 102 m/s2 9 0.12 0.80 m/s2 打点计时器在打 B 点时小车的速度 s1s2 3.594.41 102 vB m/s0.40 m/s。 2T 2 0.1 6
13、 7 考点 2 实验的拓展和创新 对本实验的改进创新可能从以下角度进行: (1)用气垫导轨代替长木板。 (2)用频闪照相的方法、滴水法或光电计时器代替打点计时器。 通过以上装置的改进能最大限度地减少因长木板和打点计时器的限位孔的阻力而导致的 小车加速度不恒定,使小车尽可能做匀加速直线运动,以提高实验的精确度。 (3)课本习题中的剪纸带法。 x (4)利用“化曲为直”的思想将 xt 的非线性关系转化为 t 的线性关系,描点作图,由 t 图线的斜率确定加速度的大小。 例 2“” 在暗室中用如图所示装置做 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
14、荧光刻度的米尺、频闪仪。具体实验步 骤如下: 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。 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 v8_m/s。(结果均保留三位有效数字) 8 (
15、3)该实验存在的系统误差可能有(答出一条即可):_ _。 解析 (1)后一水滴经过一个频闪间隔运动到前一水滴的位置,可看到一串仿佛固定不动 的水滴,即频闪仪频率等于水滴滴落的频率时,水滴仿佛不动。 h810h68 (2)g 2 (f )2 43.6726.3926.3913.43 102 m/s2 2 (30 ) 2 9.72 m/s2; h610 43.6713.43 102 v8 m/s2.27 m/s。 4 4 f 30 (3)存在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。 答案 (1)见解析 (2)9.72 2.27 (3)见解析 代替打点计时器常用的仪器和
16、方法解读 (1)光电门传感器 光电门传感器是测定瞬时速度的仪器,它的原理是发射端发出一束很细的红外线到另一端 的接收窗口(如图所示),当固定在运动物体上一个已知宽度的挡光板通过时,它可以通过数据 采集器记下挡光板经过的时间,再用挡光板的宽度除以经过的时间求得运动物体的瞬时速度。 实际上测量的是平均速度,当时间(或位移)很小时,这段时间(或位移)对应的平均速度近似等 9 d 于瞬时速度,计算公式为 v ,距离 d越小,测量误差越小。 t (2)频闪照相机 频闪照相是研究变速运动常用的实验手段。在暗室中,照相机的快门处于常开状态,频闪 仪每隔一定时间发出一次短暂的强烈闪光,照亮运动的物体,于是胶片
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