资源简介 实验一 研究匀变速直线运动的特点【实验目的】1.练习正确使用打点计时器,学会利用打点纸带研究物体的运动。2.掌握判断物体是否做匀变速直线运动的方法Δx=aT2。3.掌握使用速度—时间图象求加速度的方法。4.掌握使用逐差法计算匀变速直线运动加速度的方法。【实验原理】1.打点计时器:(1)电磁打点计时器:6 V以下交流电源。(2)电火花计时器:220 V交流电源。(3)当所用交流电源的频率f=50 Hz时,每隔0.02 s打一次点。若交流电的频率变化,对应打点时间间隔也会发生变化。2.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Δx为一恒量,即Δx=aT2,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v-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.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= 来计算。4.利用纸带求物体加速度的两种方法:(1)逐差法:根据x4-x1=x5-x2=x6-x3=3aT2(T为相邻计数点之间的时间间隔),求出然后取平均值,即 即为物体的加速度。在数据处理时可以对纸带重新分段,把6段距离分为“前三”和“后三”,“后三”减“前三”也为相邻相等时间间隔内的位移差,时间间隔为3T。(2)图象法:利用vn= 求出打各点时纸带的瞬时速度,然后作出v-t图象,用v-t图象的斜率求物体运动的加速度。【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。【实验过程】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。实验装置如图所示,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,再做两次。(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每5个点确定1个计数点,即计数点的时间间隔为T=0.1 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)增减所挂钩码的个数,再重复实验两次。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:(1)直接分析图象的特点得出。小车运动的v-t图象是一条倾斜的直线,如图所示,当时间增加相同的值Δt时,速度也会增加相同的值Δv,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v随t变化的函数关系式为v=kt+b,显然v与t成线性关系,小车的速度随时间均匀变化。对纸带进行分段,用Δx=aT2计算加速度:若纸带上计数段为偶数,直接分为前后两段计算,若纸带计数段为奇数,可以舍掉首段进行计算。【误差分析】1.根据纸带测量的位移有误差。2.电源频率不稳定,造成相邻两点的时间间隔不完全相等。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v-t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.平行:纸带和细绳要和木板平行。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,要防止钩码落地和小车与滑轮相撞。4.纸带选取:选择一条点迹清晰的纸带,舍弃点密集部分,适当选取计数点。5.区分计时点和计数点:计时点是指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0.1 s。6.准确作图:在坐标纸上,纵、横轴选取合适的单位(避免所描点过密或过疏而导致误差过大),仔细描点连线,不能连成折线,应作一条直线,让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。考点突破考点一:教材原型实验【例1】(2022·云南高三)某同学利用图示装置研究小车的匀变速直线运动.(1)实验中必要的措施是______.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所示(每相邻两个计数点间还有4个点,图中未画出).s1=3.59 cm,s2=4.41 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】(1)AB (2)0.80 0.40【详解】①为了让小车做匀加速直线运动,应使小车受力恒定,故应将细线与木板保持水平;同时为了打点稳定,应先开电源再放纸带,故AB正确;本实验中只是研究匀变速直线运动,故不需要让小车的质量远大于钩码的质量;只要能让小车做匀加速运动即可,故C错误;由C的分析可知,只要摩擦力恒定即可,不需要平衡摩擦力,故D错误,故选AB.②每两个计数点间有四个点没有画出,故两计数点间的时间间隔为;根据逐差法可知,物体的加速度;B点的速度等于AC段的平均速度,则有:.【点睛】本题考查匀变速直线运动规律的应用,要注意明确实验原理,知道本实验中只需要研究匀变速直线运动即可,所以不需要平衡摩擦力,也不需要让小车的质量远大于钩码的质量.【变式】(2022·全国高一课时练习)在做“研究匀变速直线运动”的实验中:(1)实验室提供了以下器材: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、导线和开关、低压交流电源、复写纸、弹簧测力计。其中在本实验中不需要的器材是______。(2)如图1所示,是某同学由打点计时器得到的表示小车运动过程的一条清晰纸带,纸带上两相邻计数点间还有四个点没有画出,打点计时器打点的时间间隔,其中、、、、、。表列出了打点计时器打下B、C、F时小车的瞬时速度,请在表中填入打点计时器打下D、E两点时小车的瞬时速度(小数点后保留三位数字)。位置 B C D E F速度 _____ _____(3)以A点为计时起点,在坐标图中(图2)画出小车的速度时间关系图线。(________)(4)根据你画出的小车的速度时间的关系图线计算出的小车的加速度______。(5)如果当时电网中交流电的频率是f=49Hz,而做实验的同学并不知道,由此引起的系统误差将是加速度的测量值比实际值偏 (选填“大”或“小”)(6)如果当时电网中交流电的电压变成210 V而频率不变,而做实验的同学并不知道,那么由此引起的系统误差使加速度的测量值与实际值相比__________.(填“偏大”、“偏小”或“不变”)【答案】弹簧测力计 0.864 0.928 0.64【详解】(1)[1]在本实验中不需要测量力的大小,因此不需要弹簧测力计。(2)[2][3]根据匀变速直线运动某时刻的瞬时速度等于一段时间内的平均速度,所以有(3)[4]利用描点法可画出速度时间图像(4)[5]在图像中,图像的斜率表示加速度的大小,所以有(5)大于; (6)不变.考点二 实验考点创新【例2】(2019·福建莆田一中高二期末)某研究性学习小组用图甲装置来测定当地重力加速度,主要操作如下:①安装实验器材,调节试管夹(小铁球)、光电门和纸杯在同一竖直线上;②打开试管夹,由静止释放小铁球,用光电计时器记录小铁球在两个光电门间的运动时间t,并用刻度尺(图上未画出)测量出两个光电门之间的高度h,计算出小铁球通过两光电门间的平均速度v;③保持光电门1的位置不变,改变光电门2的位置,重复②的操作。测出多组(h,t),计算出对应的平均速度v;④画出v-t图象。请根据实验,回答如下问题:(1)设小铁球到达光电门1时的速度为v0,当地的重力加速度为g。则小铁球通过两光电门间平均速度v的表达式为_______。(用v0、g和t表示)(2)实验测得的数据如下表:实验次数 1 2 3 4 5 6h(cm) 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00t(s) 0.069 0.119 0.159 0.195 0.226 0.255v(m·s-1) 1.45 1.68 1.89 2.05 2.21 2.36请在图乙坐标纸上画出v-t图象_______。根据v-t图象,可以求得当地重力加速度g=_________m/s2。试管夹到光电门B的距离约为_____cm.(以上结果均保留三位有效数字)【答案】9.7(9.5~9.9)【解析】【详解】(1)[1]根据匀变速直线运动中时间中点的速度等于该过程中的平均速度得,小铁球通过两光电门间平均速度v的表达式为(2)[2]根据数据作出v-t图象:(3)[3]表达式为所以图象的斜率表示,所以当地重力加速度 ;小铁球通过两光电门间平均速度v的表达式为;所以v-t图象的斜率表示,所以当地重力加速度,根据v-t图象得出的大小,根据运动学公式得试管夹到光电门B的距离约为考点:测定重力加速度实验【名师点睛】根据匀变速直线运动中时间中点的速度等于该过程中的平均速度求解通过两光电门间平均速度v;根据数据作出v-t图象,根据v-t图象的斜率物理意义求解重力加速度智能综合提升基础练1、(2022·广西壮族自治区柳江中学高三月考)如图甲为测量重力加速度的实验装置,C为数字毫秒表,A、B为两个相同的光电门,C可以测量铁球两次挡光之间的时间间隔.开始时铁球处于A门的上边缘,当断开电磁铁的开关由静止释放铁球时开始计时,落到B门时停止计时,毫秒表显示时间为铁球通过A、B两个光电门的时间间隔t,测量A、B间的距离x.现将光电门B缓慢移动到不同位置,测得多组x、t数值,画出随t变化的图线为直线,如图乙所示,直线的斜率为k,则由图线可知,当地重力加速度大小为g=________;若某次测得小球经过A、B门的时间间隔为t0,则可知铁球经过B门时的速度大小为________,此时两光电门间的距离为________.【答案】2k 2kt0【分析】根据位移时间公式得出A到B过程中位移时间的表达式,得出的表达式,结合图线的斜率求出重力加速度的大小,再依据运动学公式,即可求解经过B光电门的速度,及两光电门的间距;【详解】小球做自由落体运动,出发点在A点,设小球在A点的速度为0,则小球从A到B的过程:,则,可知成一次函数,斜率,解得:;依据速度公式,则有:;而两光电门的间距;2、能力练3、(2018·绿春县第一中学高三月考)利用图1所示的装置可测量滑块在斜面上运动的加速度.一斜面上安装有两个光电门,其中光电门乙固定在斜面上靠近底端处,光电门甲的位置可移动,当一带有遮光片的滑块自斜面上滑下时,与两个光电门都相连的计时器可以显示出遮光片从光电门甲至乙所用的时间t.改变光电门甲的位置进行多次测量,每次都使滑块从同一点由静止开始下滑,并用米尺测量甲、乙之间的距离s,记下相应的t值;所得数据如下表所示.完成下列填空和作图:(1)若滑块所受摩擦力为一常量,滑块加速度的大小a、滑块经过光电门乙时的瞬时速度v1测量值s和t四个物理量之间所满足的关系式是_______;(2)根据表中给出的数据,在图2给出的坐标纸上画出图线______;(3)由所画出的图线,得出滑块加速度的大小为a=____________m/s2(保留2位有效数字).【答案】(1) (或者) (2)图像如图;(3)2.0(1.8-2.2)【详解】考点:测定匀变速直线运动的加速度.分析:可以把光电门甲至乙的匀加速运动看成反向的匀减速运动,写出测量值s和t四个物理量之间所满足的关系式.由位移时间关系式整理得到-t图线的表达式,并找出图线的斜率和加速度关系.解:①已知滑块沿斜面下滑时做匀加速运动,滑块加速度的大小a、滑块经过光电门乙时的瞬时速度v1、测量值s和t四个物理量.因为时速度v1是下滑的末速度,所以我们可以看下滑的逆过程,所以满足的关系式是:s=v1t+at2②根据表中给出的数据,在图2给出的坐标纸上画出-t图线; 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