2020版高考物理一輪復習第一章第4節(jié)實驗：研究勻變速直線運動的特點講義.docx

第4節(jié) 實驗：研究勻變速直線運動的特點一、實驗?zāi)康?練習正確使用打點計時器，學會利用打點紙帶研究物體的運動。2掌握判斷物體是否做勻變速直線運動的方法xaT2。3掌握使用速度時間圖像求加速度的方法。4掌握使用逐差法計算勻變速直線運動加速度的方法。二、實驗原理1實驗原理圖2打點計時器(1)電磁打點計時器：6 V以下交流電源。(2)電火花計時器：220 V交流電源。(3)當所用交流電源的頻率f50 Hz時，每隔0.02 s打一次點。若交流電的頻率變化，對應(yīng)打點時間間隔也會發(fā)生變化。3處理紙帶數(shù)據(jù)時區(qū)分計時點和計數(shù)點計時點是指打點計時器在紙帶上打下的點。計數(shù)點是指測量和計算時在紙帶上所選取的點，要注意“每5個點取一個計數(shù)點”與“每隔4個點取一個計數(shù)點”取點方法是一樣的，時間間隔均為0.1 s。4勻變速直線運動的判斷(1)若物體在連續(xù)相等時間T內(nèi)的位移之差x為一恒量，即xaT2，則物體做勻變速直線運動。(2)利用“平均速度法”確定多個點的瞬時速度，作出物體運動的vt圖像，若圖像是一條傾斜的直線，則物體做勻變速直線運動。5由紙帶計算某點的瞬時速度根據(jù)勻變速直線運動某段時間內(nèi)的平均速度等于該段時間中間時刻的瞬時速度vn來計算。6利用紙帶求物體加速度的兩種方法(1)逐差法根據(jù)x4x1x5x2x6x33aT2(T為相鄰計數(shù)點之間的時間間隔)，求出a1，a2，a3，然后取平均值，即，即為物體的加速度。在數(shù)據(jù)處理時可以對紙帶重新分段，把6段距離分為“前三”和“后三”，“后三”減“前三”也為相鄰相等時間間隔內(nèi)的位移差，時間間隔為3T。(2)圖像法利用vn求出打各點時紙帶的瞬時速度，然后作出vt圖像，用vt圖像的斜率求物體運動的加速度。三、實驗器材電火花計時器或電磁打點計時器、一端附有滑輪的長木板、小車、紙帶、細繩、鉤碼、刻度尺、導線、電源、復寫紙。部分器材用途鉤碼通過細繩跨過定滑輪拖拽小車加速運動紙帶記錄小車在每次打點間隔時間內(nèi)的運動情況刻度尺用于測量計數(shù)點間的距離四、實驗步驟1按實驗原理圖所示實驗裝置，把打點計時器固定在長木板無滑輪的一端，接好電源。2把一細繩系在小車上，細繩跨過滑輪，下端掛適量的鉤碼，紙帶穿過打點計時器，固定在小車后面。3把小車?？吭诖螯c計時器處，先接通電源、后放開小車。4小車運動一段時間后，斷開電源，取下紙帶。5換紙帶反復做三次，選擇一條比較理想的紙帶進行測量分析。五、數(shù)據(jù)處理1由實驗數(shù)據(jù)得出vt圖像。(1)根據(jù)表格中的v、t數(shù)據(jù)，在直角坐標系中仔細描點。(2)作一條直線，使同一次實驗得到的各點盡量落到這條直線上，落不到直線上的各點應(yīng)均勻分布在直線的兩側(cè)，這條直線就是本次實驗的vt圖線，它是一條傾斜的直線，如圖所示。2由實驗得出的vt圖像進一步得出小車運動的速度隨時間變化的規(guī)律。(1)直接分析圖像的特點得出。小車運動的vt圖像是一條傾斜的直線，如圖所示，當時間增加相同的值t時，速度也會增加相同的值v，由此得出結(jié)論：小車的速度隨時間均勻變化。(2)通過函數(shù)關(guān)系進一步得出。既然小車的vt圖像是一條傾斜的直線，那么v隨t變化的函數(shù)關(guān)系式為vktb，顯然v與t呈線性關(guān)系，小車的速度隨時間均勻變化。3用xaT2對紙帶進行分段，計算加速度。若紙帶上計數(shù)段為偶數(shù)，直接分為前后兩段計算，若紙帶計數(shù)段為奇數(shù)，可以舍掉首段或中間一段進行計算。六、誤差分析1根據(jù)紙帶測量的位移有誤差。2電源頻率不穩(wěn)定，造成相鄰兩點的時間間隔不完全相等。3紙帶運動時打點不穩(wěn)定引起測量誤差。4用作圖法，作出的vt圖像并不是一條直線。5木板的粗糙程度并非完全相同，這樣測量得到的加速度只能是所測量段的平均加速度。七、注意事項1平行：紙帶和細繩要和木板平行。2兩先兩后：實驗中應(yīng)先接通電源，后讓小車運動；實驗完畢應(yīng)先斷開電源后取紙帶。3防止碰撞：在到達長木板末端前應(yīng)讓小車停止運動，要防止鉤碼落地和小車與滑輪相撞。4紙帶選取：選擇一條點跡清晰的紙帶，舍棄點密集部分，適當選取計數(shù)點。5準確作圖：在坐標紙上，縱、橫坐標軸選取合適的單位(避免所描點過密或過疏而導致誤差過大)，仔細描點連線，不能連成折線，應(yīng)作一條直線，讓各點盡量落到這條直線上，落不到直線上的各點應(yīng)均勻分布在直線的兩側(cè)?；A(chǔ)考法考法(一)實驗原理與操作1(1)某同學用電磁打點計時器測勻變速直線運動的加速度，電磁打點計時器的工作電源為_。A220 V的交流電B6 V以下的交流電C220 V的直流電 D6 V以下的直流電(2)實驗中打點計時器每隔0.02 s打一個點，打出的紙帶如圖所示，則可大致判斷小車做_(選填“勻速”或“勻變速”)直線運動，這是因為_；計算小車的加速度大小a_ m/s2(保留兩位有效數(shù)字)。解析：(1)電磁打點計時器的工作電源為6 V以下的交流電，選項B正確。(2)根據(jù)打出的紙帶中兩個連續(xù)相等的時間間隔內(nèi)的位移之差恒定，可大致判斷小車做勻變速直線運動。利用xaT2，T50.02 s0.1 s，可得小車的加速度大小a0.30 m/s2。答案：(1)B(2)勻變速兩個連續(xù)相等的時間間隔內(nèi)的位移之差恒定0.302在研究勻變速直線運動的特點時，某同學用一端裝有定滑輪的長木板、小車、打點計時器(頻率為50 Hz)、鉤碼、紙帶、細線組成如圖甲所示的裝置，用鉤碼拉動小車，使其做勻變速直線運動，得到如圖乙所示的一條紙帶，紙帶中相鄰兩個計數(shù)點之間有四個點未標出。(1)某同學操作實驗步驟如下，有錯誤或不需要的步驟是_(填寫字母)。A將打點計時器固定在長木板上，并連接好電路B將紙帶固定在小車尾部，并穿過打點計時器的限位孔C適當抬高長木板的左端，在不掛鉤碼的情況下，輕推小車，小車能勻速運動D把一條細線拴在小車上，細線跨過定滑輪，下面吊著適當重的鉤碼E將小車移至靠近打點計時器處F先釋放紙帶，再接通打點計時器(2)用毫米刻度尺測量得到圖乙中A點與其他計數(shù)點間的距離為：AB3.00 cm、AC10.16 cm、AD21.48 cm、AE36.95 cm，則打下D點時小車的速度大小為_ m/s；小車的加速度為_ m/s2。(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)解析：(1)其中不需要的步驟是C，本實驗研究的是勻變速直線運動，是否存在摩擦阻力，對實驗沒有影響，只要加速度恒定即可；錯誤的步驟是F，實驗時，不能先釋放紙帶，再接通打點計時器，由于小車運動較快，可能會使打出來的點很少，不利于數(shù)據(jù)的采集和處理，所以應(yīng)該先接通電源，再釋放紙帶。(2)由于打點計時器打點的時間間隔為0.02 s，相鄰兩個計數(shù)點之間還有四個點未標出，所以相鄰兩個計數(shù)點之間的時間間隔為0.1 s。根據(jù)勻變速直線運動中中間時刻的速度等于該過程中的平均速度，可以求出打下D點時小車的瞬時速度大小：vD102 m/s1.34 m/s，根據(jù)勻變速直線運動的推論公式xaT2，可以求出加速度的大小，解得：a102 m/s24.16 m/s2。答案：(1)CF(2)1.344.16考法(二)數(shù)據(jù)處理與誤差分析3(2018全國卷)甲、乙兩同學通過下面的實驗測量人的反應(yīng)時間。實驗步驟如下：(1)甲用兩個手指輕輕捏住量程為L的木尺上端，讓木尺自然下垂。乙把手放在尺子的下端(位置恰好處于L刻度處，但未碰到尺子)，準備用手指夾住下落的尺子。(2)甲在不通知乙的情況下，突然松手，尺子下落；乙看到尺子下落后快速用手指夾住尺子。若夾住尺子的位置刻度為L1，重力加速度大小為g，則乙的反應(yīng)時間為_(用L、L1和g表示)。(3)已知當?shù)氐闹亓铀俣却笮間9.80 m/s2，L30.0 cm，L110.4 cm。乙的反應(yīng)時間為_s。(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)(4)寫出一條能提高測量結(jié)果準確程度的建議：_。解析：(2)根據(jù)自由落體運動的規(guī)律，得LL1gt2，解得t 。(3)將g9.80 m/s2，L30.0 cm0.300 m，L110.4 cm0.104 m，代入t ，解得t0.20 s。(4)建議：多次測量取平均值；初始時乙的手指盡可能接近尺子。答案：(2) (3)0.20(4)多次測量取平均值；初始時乙的手指盡可能接近尺子4某次“測定重力加速度”的實驗中，得到了一條較為理想的紙帶。紙帶上取5個計數(shù)點，且兩相鄰計數(shù)點的時間間隔為0.1 s，依打點先后標為0、1、2、3、4，由于不小心，紙帶被撕斷了，其中部分紙帶如圖所示。(1)在B、C、D三段紙帶中選出從紙帶A上撕下的那段應(yīng)該是_(填字母)。紙帶A上，打點1時重物的速度為_ m/s(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)。當?shù)氐闹亓铀俣却笮開 m/s2(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)。(2)如果當時交流電的頻率f 50 Hz，但當時做實驗的同學并不知道，那么測得的重力加速度值與真實值相比_(選填“偏大”“相等”或“偏小”)。解析：(1)因xx12x01，代入數(shù)值得x9 cm，所以x34x122x57.2 cm，即從紙帶A上撕下的那段應(yīng)為C。因做勻變速直線運動的物體在一段時間內(nèi)的平均速度等于該段時間中間時刻的瞬時速度，所以v1，代入數(shù)值得v13.47 m/s。由xaT2得，當?shù)氐闹亓铀俣却笮9.00 m/s2。(2)如果在實驗中，交流電的頻率f50 Hz，那么實際打點周期變小，根據(jù)運動學公式xaT2得，仍用f50 Hz計算得到的重力加速度值會偏小，即測量的重力加速度值與真實的重力加速度值相比偏小。答案：(1)C3.479.00(2)偏小5(2018北京高考)用圖1所示的實驗裝置研究小車速度隨時間變化的規(guī)律。圖1主要實驗步驟如下：a安裝好實驗器材，接通電源后，讓拖著紙帶的小車沿長木板運動，重復幾次。b選出一條點跡清晰的紙帶，找一個合適的點當作計時起點O(t0)，然后每隔相同的時間間隔T選取一個計數(shù)點，如圖2中A、B、C、D、E、F、所示。圖2c通過測量、計算可以得到在打A、B、C、D、E、點時小車的速度，分別記作v1、v2、v3、v4、v5、d以速度v為縱軸、時間t為橫軸建立直角坐標系，在坐標紙上描點，如圖3所示。圖3結(jié)合上述實驗步驟，請你完成下列任務(wù)：(1)在下列儀器和器材中，還需要使用的有_和_(填選項前的字母)。A電壓合適的50 Hz交流電源B電壓可調(diào)的直流電源C刻度尺D秒表E天平(含砝碼)(2)在圖3中已標出計數(shù)點A、B、D、E對應(yīng)的坐標點，請在該圖中標出計數(shù)點C對應(yīng)的坐標點，并畫出vt圖像。(3)觀察vt圖像，可以判斷小車做勻變速直線運動，其依據(jù)是_。vt圖像斜率的物理意義是_。(4)描繪vt圖像前，還不知道小車是否做勻變速直線運動。用平均速度表示各計數(shù)點的瞬時速度，從理論上講，對t的要求是_(選填“越小越好”或“與大小無關(guān)”)；從實驗的角度看，選取的x大小與速度測量的誤差_(選填“有關(guān)”或“無關(guān)”)。(5)早在16世紀末，伽利略就猜想落體運動的速度應(yīng)該是均勻變化的。當時只能靠滴水計時，為此他設(shè)計了如圖4所示的“斜面實驗”，反復做了上百次，驗證了他的猜想。圖4請你結(jié)合勻變速直線運動的知識，分析說明如何利用伽利略“斜面實驗”檢驗小球的速度是隨時間均勻變化的。解析：(1)打點計時器使用的是交流電源，故選A，不選B；相鄰打點間的時間是已知的，故不選D；計數(shù)點間的距離需要用刻度尺測量，故選C；由于不需要知道小車和重物的質(zhì)量，故不需要天平(含砝碼)，故不選E。(2)連線時要讓盡量多的點在一條直線上，如圖所示。(3)可以依據(jù)vt圖像是傾斜的直線(斜率一定)，即小車的速度隨時間均勻變化，判斷出小車做勻變速直線運動；vt圖像的斜率表示加速度。(4)嚴格地講，表示的是t內(nèi)的平均速度，只有當t趨近于0時，才表示瞬時速度，因此若用表示各計數(shù)點的瞬時速度，對t的要求是越小越好；從實驗的角度看，選取的x越小，用計算得到的平均速度越接近計數(shù)點的瞬時速度，但x過小，測量誤差增大，因此選取的x大小與速度測量的誤差有關(guān)。(5)如果小球的初速度為0，其速度vt，那么它通過的位移xt，故推出xt2。因此，只要測量小球通過不同位移所用的時間，就可以檢驗小球的速度是否隨時間均勻變化。答案：(1)AC(2)圖見解析(3)小車的速度隨時間均勻變化加速度(4)越小越好有關(guān)(5)如果小球的初速度為0，其速度vt，那么它通過的位移xt2。因此，只要測量小球通過不同位移所用的時間，就可以檢驗小球的速度是否隨時間均勻變化。例1(2017全國卷)某探究小組為了研究小車在桌面上的直線運動，用自制“滴水計時器”計量時間。實驗前，將該計時器固定在小車旁，如圖(a)所示。實驗時，保持桌面水平，用手輕推一下小車。在小車運動過程中，滴水計時器等時間間隔地滴下小水滴，圖(b)記錄了桌面上連續(xù)的6個水滴的位置。(已知滴水計時器每30 s內(nèi)共滴下46個小水滴)(1)由圖(b)可知，小車在桌面上是_(選填“從右向左”或“從左向右”)運動的。(2)該小組同學根據(jù)圖(b)的數(shù)據(jù)判斷出小車做勻變速運動。小車運動到圖(b)中A點位置時的速度大小為_ m/s，加速度大小為_ m/s2。(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)三步穩(wěn)解題1分析實驗?zāi)康模貉芯縿蜃兯僦本€運動的特點，測小車的速度和加速度。2確定實驗原理(1)速度測量原理：一段時間內(nèi)物體的平均速度等于中間時刻的瞬時速度，即v。(2)加速度測量原理：用逐差法求加速度，即a。3制定數(shù)據(jù)處理方案：根據(jù)實驗原理，需要測量的物理量有位移(題中已給出)、時間。測時間的方案是“滴水法”：每30 s內(nèi)共滴下46個小水滴，有45個時間間隔，T s s。解析(1)由于小車在水平桌面上運動時必然受到阻力作用，做勻減速直線運動，相鄰水滴(時間間隔相同)的位置間的距離逐漸減小，所以由題圖(b)可知，小車在桌面上是從右向左運動的。(2)滴水計時器每30 s內(nèi)共滴下46個小水滴，其滴水的時間間隔為T s s。根據(jù)勻變速直線運動的規(guī)律，可得小車運動到題圖(b)中A點位置時的速度大小為vA m/s0.19 m/s。根據(jù)逐差法，共有5組數(shù)據(jù)，舍去中間的一組數(shù)據(jù)，則加速度a m/s20.038 m/s2。因此加速度的大小為0.038 m/s2答案(1)從右向左(2)0.190.038例2(2017全國卷)某同學研究在固定斜面上運動物體的平均速度、瞬時速度和加速度之間的關(guān)系。使用的器材有：斜面、滑塊、長度不同的矩形擋光片、光電計時器。實驗步驟如下：如圖(a)，將光電門固定在斜面下端附近；將一擋光片安裝在滑塊上，記下?lián)豕馄岸讼鄬τ谛泵娴奈恢茫罨瑝K從斜面上方由靜止開始下滑；當滑塊上的擋光片經(jīng)過光電門時，用光電計時器測得光線被擋光片遮住的時間t；用s表示擋光片沿運動方向的長度如圖(b)所示，表示滑塊在擋光片遮住光線的t時間內(nèi)的平均速度大小，求出；將另一擋光片換到滑塊上，使滑塊上的擋光片前端與中位置相同，令滑塊由靜止開始下滑，重復步驟、；多次重復步驟；利用實驗中得到的數(shù)據(jù)作出t圖，如圖(c)所示。完成下列填空：(1)用a表示滑塊下滑的加速度大小，用vA表示擋光片前端到達光電門時滑塊的瞬時速度大小，則與vA、a和t的關(guān)系式為_。(2)由圖(c)可求得，vA_ cm/s，a_ cm/s2。(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)三步穩(wěn)解題1分析實驗?zāi)康模貉芯课矬w的平均速度、瞬時速度和加速度之間的關(guān)系，測瞬時速度和加速度。2確定實驗原理(速度測量原理)：擋光片經(jīng)過光電門過程的平均速度等于中間時刻的瞬時速度，即：vAa。3制定數(shù)據(jù)處理方案：根據(jù)實驗原理，結(jié)合數(shù)學知識可得出圖線與軸交點的縱坐標大小即為vA，圖線的斜率k。解析(1)是t時間內(nèi)中間時刻的瞬時速度，vA為t時間內(nèi)的初速度，根據(jù)速度公式得vAavAt。(2)由vAat結(jié)合題圖(c)可知，圖線與縱軸交點的縱坐標即為vA，將圖線延長與縱軸相交，得vA52.1 cm/s，圖線的斜率等于a，即a cm/s2，求得a16.3 cm/s2。答案(1)vAt(2)52.116.3創(chuàng)新領(lǐng)悟?qū)嶒炘淼膭?chuàng)新1.滑塊在斜面上靠下滑力與摩擦力的合力獲得加速度。2.擋光片經(jīng)過光電門的平均速度作為滑塊速度。3.平均速度的大小與擋光片的長度有關(guān)。 1.物塊在斜面上靠下滑力與摩擦力的合力獲得加速度。2.由紙帶確定物塊的加速度。3.結(jié)合牛頓第二定律求動摩擦因數(shù)。實驗器材的創(chuàng)新1.用滴水針頭替代打點計時器打紙帶。2.小車在水平桌面上因摩擦做勻減速運動。實驗過程的創(chuàng)新1.鐵球靠重力產(chǎn)生加速度。2.鐵球由A到B的時間可由數(shù)字毫秒表讀出。3.鐵球的加速度由 t圖線分析得出。創(chuàng)新考法1如圖甲為測量重力加速度的實驗裝置，C為數(shù)字毫秒表，A、B為兩個相同的光電門，C可以測量鐵球兩次擋光之間的時間間隔。開始時鐵球處于A門的上邊緣，當斷開電磁鐵的開關(guān)由靜止釋放鐵球時，A門開始計時，落到B門時停止計時，毫秒表顯示時間為鐵球通過A、B兩個光電門的時間間隔t，測量A、B間的距離x?，F(xiàn)將光電門B緩慢移動到不同位置，測得多組x、t數(shù)值，畫出隨t變化的圖線為直線，如圖乙所示，直線的斜率為k，則由圖線可知，當?shù)刂亓铀俣却笮間_；若某次測得小球經(jīng)過A、B門的時間間隔為t0，則可知鐵球經(jīng)過B門時的速度大小為_，此時兩光電門間的距離為_。解析：小球做自由落體運動，出發(fā)點在A點，小球在A點的速度為0，則小球從A到B的過程：xgt2，則gt，可知 t為一次函數(shù)圖像，斜率k，解得：g2k。依據(jù)速度公式，則有：vBgt02kt0；而兩光電門的間距dgt2kt02。答案：2k2kt0kt022.如圖甲所示，小車放在斜面上，車前端拴有不可伸長的細線，跨過固定在斜面邊緣的小滑輪與重物相連，小車后面與穿過打點計時器的紙帶相連。起初小車停在靠近打點計時器的位置，重物到地面的距離小于小車到滑輪的距離。啟動打點計時器，釋放重物，小車在重物的牽引下，由靜止開始沿斜面向上運動，重物落地后，小車會