2023高中物理步步高大一輪 第一章 實驗一　探究小車速度隨時間變化的規(guī)律

1、實驗一探究小車速度隨時間變化的規(guī)律目標(biāo)要求1.會正確使用打點計時器，學(xué)會利用紙帶上的點跡求物體的速度和加速度.2.掌握判斷物體是否做勻變速直線運動的方法實驗技能儲備一、打點計時器1作用：計時儀器，當(dāng)所用交變電源的頻率f50 Hz時，每隔0.02 s打一次點2結(jié)構(gòu)(1)電磁打點計時器(如圖)(2)電火花計時器(如圖)3工作條件：eq blcrc (avs4alco1(電磁打點計時器：8 V交變電源,電火花計時器：220 V交變電源)二、實驗：探究小車速度隨時間變化的規(guī)律1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、槽碼、刻度尺、導(dǎo)線、交變電源2實驗過程(1)

2、按照實驗裝置，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，細繩繞過滑輪，下端掛合適的槽碼，紙帶穿過打點計時器，固定在小車后面；(3)把小車停在靠近打點計時器處，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)更換紙帶重復(fù)實驗三次，選擇一條比較理想的紙帶進行測量、分析3數(shù)據(jù)處理(1)求物體的速度與加速度利用平均速度求瞬時速度：vneq f(xnxn1,2T)eq f(dn1dn1,2T).利用逐差法求解平均加速度a1eq f(x4x1,3T2)，a2eq f(x5x2,3T2)，a3eq f(x6x3,3T2)aeq f(a1a2a3,3

3、)eq f(x4x5x6x1x2x3,9T2).利用速度時間圖像求加速度a作出速度時間圖像，通過圖像的斜率求解物體的加速度；b剪下相鄰計數(shù)點的紙帶緊排在一起求解加速度(2)依據(jù)紙帶判斷物體是否做勻變速直線運動x1、x2、x3xn是相鄰兩計數(shù)點間的距離x是兩個連續(xù)相等的時間內(nèi)的位移差：x1x2x1，x2x3x2，.若x等于恒量(aT2)，則說明小車做勻變速直線運動xaT2，只要小車做勻變速直線運動，它在任意兩個連續(xù)相等的時間間隔內(nèi)的位移之差就一定相等4注意事項(1)平行：紙帶、細繩要與長木板平行(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，后取下紙帶(3)防止碰撞：在到

4、達長木板末端前應(yīng)讓小車停止運動，防止槽碼落地及小車與滑輪相撞(4)減小誤差：小車的加速度應(yīng)適當(dāng)大些，可以減小長度測量的相對誤差，加速度大小以能在約50 cm的紙帶上清楚地取出67個計數(shù)點為宜(5)小車從靠近打點計時器位置釋放5誤差分析(1)紙帶運動時摩擦力不均勻，打點不穩(wěn)定引起誤差(2)計數(shù)點間距測量有偶然誤差(3)作圖有誤差考點一教材原型實驗例1(2019全國卷22)某小組利用打點計時器對物塊沿傾斜的長木板加速下滑時的運動進行探究物塊拖動紙帶下滑，打出的紙帶一部分如圖所示已知打點計時器所用交流電的頻率為50 Hz，紙帶上標(biāo)出的每兩個相鄰點之間還有4個打出的點未畫出在A、B、C、D、E五個點中

5、，打點計時器最先打出的是_點在打出C點時物塊的速度大小為_ m/s(保留3位有效數(shù)字)；物塊下滑的加速度大小為_ m/s2(保留2位有效數(shù)字)答案A0.2330.75解析根據(jù)題述，物塊加速下滑，在A、B、C、D、E五個點中，打點計時器最先打出的是A點根據(jù)刻度尺讀數(shù)規(guī)則可讀出，B點對應(yīng)的刻度為1.20 cm，C點對應(yīng)的刻度為3.15 cm，D點對應(yīng)的刻度為5.85 cm，E點對應(yīng)的刻度為9.30 cm，AB1.20 cm，BC1.95 cm，CD2.70 cm，DE3.45 cm.兩個相鄰計數(shù)點之間的時間間隔T5eq f(1,50) s0.10 s，根據(jù)做勻變速直線運動的質(zhì)點在一段時間內(nèi)的平均速

6、度等于中間時刻的瞬時速度可得，打出C點時物塊的速度大小為vCeq f(BCCD,2T)0.233 m/s.由逐差法可得aeq f(CDDEABBC,4T2)，解得a0.75 m/s2.例2(2018北京卷21改編)用圖甲所示的實驗裝置研究小車速度隨時間變化的規(guī)律主要實驗步驟如下：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(fù)幾次b選出一條點跡清晰的紙帶，找一個合適的點當(dāng)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，如圖乙中A、B、C、D、E、F所示c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、v5d以速度v為縱軸

7、、時間t為橫軸建立直角坐標(biāo)系，在坐標(biāo)紙上描點，如圖丙所示結(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交變電源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)在圖中已標(biāo)出計數(shù)點A、B、D、E對應(yīng)的坐標(biāo)點，請在該圖中標(biāo)出計數(shù)點C對應(yīng)的坐標(biāo)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eq f(x,t)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

8、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)”)答案(1)AC(2)如圖所示(3)小車的速度隨時間均勻變化加速度(4)越小越好有關(guān)解析(1)打點計時器使用的是交變電源，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，其他點均勻地分布在直線兩側(cè)(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，eq f(x,t)表示的是t內(nèi)的平均速度，只有

9、當(dāng)t趨近于0時，eq f(x,t)才表示瞬時速度，因此若用eq f(x,t)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eq f(x,t)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)考點二探索創(chuàng)新實驗對本實驗的改進創(chuàng)新的方法1實驗器材的改進及速度的測量方法(如圖)2獲得加速度方法的改進靠重物的拉力獲得加速度長木板傾斜靠重力獲得加速度，如圖甲、乙所示3用頻閃照相的方法、滴水法或光電計時器代替打點計時器通過以上裝置的改進能最大限度地減少因長木板和打點計時器的限位孔的阻力而導(dǎo)致的小車加速度不恒定，使小車盡可能

10、做勻加速直線運動，以提高實驗的精確度例3(2020海南卷14(2)某同學(xué)用如圖(a)所示的裝置測量重力加速度實驗器材：有機玻璃條(白色是透光部分，黑色是寬度均為d1.00 cm的擋光片)，鐵架臺，數(shù)字計時器(含光電門)，刻度尺主要實驗過程如下：(1)將光電門安裝在鐵架臺上，下方放置承接玻璃條下落的緩沖物；(2)用刻度尺測量兩擋光片間的距離，刻度尺的示數(shù)如圖(b)所示，讀出兩擋光片間的距離L_ cm；(3)手提玻璃條上端使它靜止在_方向上，讓光電門的光束從玻璃條下端的透光部分通過；(4)讓玻璃條自由下落，測得兩次擋光的時間分別為t110.003 ms和t25.000 ms；(5)根據(jù)以上測量的數(shù)

11、據(jù)計算出重力加速度g_ m/s2(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)答案(2)15.40(3)豎直(5)9.74解析(2)兩擋光片間的距離L15.40 cm0 cm15.40 cm(3)手提玻璃條上端使它靜止在豎直方向上，讓光電門的光束從玻璃條下端的透光部分通過(5)玻璃條下部擋光條通過光電門時玻璃條的速度為v1eq f(d,t1)eq f(1.00102,10.003103) m/s1 m/s玻璃條上部擋光條通過光電門時玻璃條的速度為v2eq f(d,t2)eq f(1.00102,5.000103) m/s2 m/s根據(jù)速度位移公式有v22v122gL代入數(shù)據(jù)解得加速度geq f(v22v12,2L)

12、9.74 m/s2.例4(2017全國卷22)某同學(xué)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?，令滑塊從斜面上方由靜止開始下滑；當(dāng)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，eq xto(v)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eq xto(v)；將另一擋光片換到滑塊上，使滑塊上的擋光片前端與中的位置相同，令滑塊由靜止開始

13、下滑，重復(fù)步驟、；多次重復(fù)步驟；利用實驗中得到的數(shù)據(jù)作出eq xto(v)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eq xto(v)與vA、a和t的關(guān)系式為 eq xto(v)_.(2)由圖(c)可求得vA_ cm/s，a_ cm/s2.(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)答案(1)vAeq f(1,2)at(2)52.116.6(16.416.8均可)解析(1)設(shè)擋光片末端到達光電門的速度為v，則由速度時間關(guān)系可知：vvAat，且eq xto(v)eq f(vAv,2)聯(lián)立解得：eq xto(v)vAeq f(1,2)a

14、t；(2)由題圖(c)可讀出vA52.1 cm/s，圖線的斜率keq f(1,2)aeq f(53.652.4,18035103) cm/s28.28 cm/s2，即a16.6 cm/s2. 例5某實驗小組用頻閃照相方法來研究物塊的變速運動在一小物塊沿斜面向下運動的過程中，用頻閃相機拍攝的不同時刻物塊的位置如圖所示，拍攝時頻閃頻率是10 Hz；通過斜面上固定的刻度尺(最小分度為1 mm)讀取的5個連續(xù)影像的讀數(shù)依次為xO、xA、xB、xC、xD.xOxAxBxCxD5.1 cm15.86 cm30.91 cm50.25 cm73.90 cm根據(jù)表中數(shù)據(jù)，完成下列填空：(1)以上哪個數(shù)據(jù)不符合刻

15、度尺讀數(shù)要求_(選填xO、xA)；(2)物塊到達B點時的速度vB為_ m/s(保留3位有效數(shù)字)；(3)請充分利用數(shù)據(jù)計算出物塊的加速度a為_ m/s2(保留3位有效數(shù)字)答案(1)xO(2)1.72(3)4.30解析(1)由于刻度尺的最小分度為0.1 cm，讀數(shù)需要估讀，則xO不符合刻度尺讀數(shù)要求(2)由于B點是A、C兩點的中間時刻，所以vBeq f(xCxA,2T)eq f(50.2515.86102,20.1) m/s1.72 m/s(3)由逐差法得物塊的加速度大小為aeq f(xBDxOB,4T2)eq f(73.9030.9130.915.10,40.12)102 m/s24.30

16、m/s2.課時精練1用電火花計時器研究勻變速直線運動的實驗中，某同學(xué)打出了如圖所示的一條紙帶(1)電火花計時器使用的是_ V的_(填“直流”或“交變”)電源；計時器打點的時間間隔為0.02 s，每隔4個點取1個計數(shù)點，依次得到了O、A、B、C、D幾個計數(shù)點(2)小車由靜止開始運動，則紙帶的_(填“左”或“右”)端與小車相連；(3)用刻度尺量得OA1.20 cm，OB2.80 cm，OC5.80 cm，OD7.20 cm，打B點時紙帶的速度大小為_ m/s，紙帶運動的加速度大小為_ m/s2；(4)如果當(dāng)時電網(wǎng)中交變電流的頻率變大，而做實驗的同學(xué)并不知道，那么加速度的測量值比實際值_(填“偏大”

17、或“偏小”)；(5)關(guān)于打點計時器的使用，下列說法正確的是_A電磁打點計時器使用的是8 V的直流電源B在測量物體速度時，先接通打點計時器的電源，后讓物體運動C使用的電源頻率越高，打點的時間間隔就越小D電源的電壓越高，打點的時間間隔就越小答案(1)220交變(2)左(3)0.230.40(4)偏小(5)BC解析(1)電火花計時器使用220 V的交變電源；(2)小車從靜止開始做加速運動，相鄰計數(shù)點間距變大，可知，小車與紙帶的左端相連；(3)打B點時紙帶的速度vBeq f(OCOA,2T)eq f(5.801.20,20.1)102 m/s0.23 m/s由逐差法得加速度大小為aeq f(BDOB,

18、4T2)eq f(7.202.802.80,40.12)102 m/s20.40 m/s2(4)如果在實驗中，交流電的頻率變大，那么實際打點周期變小，根據(jù)運動學(xué)公式xaT2得，測量的加速度值與真實的加速度值相比是偏??；(5)電磁打點計時器使用的是8 V的交變電源，故A錯誤；為了充分利用紙帶，在測量物體速度時，先接通打點計時器的電源，后讓物體運動，故B正確；由Teq f(1,f)可知，使用的電源頻率越高，打點的時間間隔就越小，故C正確；打點的時間間隔與電壓無關(guān)，故D錯誤2(2022浙江省高三模擬)某同學(xué)利用圖甲所示的實驗裝置，探究物塊在水平桌面上的運動規(guī)律物塊在重物的牽引下開始運動，重物落地后，

19、物塊再運動一段距離停在桌面上(未到達滑輪處)從紙帶上選取便于測量的部分，每5個點取1個計數(shù)點，相鄰計數(shù)點間的距離如圖乙所示(1)實驗中除了打點計時器外，下列還需要用到的測量器材是_A游標(biāo)卡尺 B秒表C毫米刻度尺 D托盤天平(2)通過分析紙帶上的數(shù)據(jù)，可判斷物塊開始減速的時刻位于_A計數(shù)點5和6之間某時刻B計數(shù)點6和7之間某時刻C計數(shù)點7和8之間某時刻(3)若打點計時器所接電源的頻率為50 Hz，計數(shù)點5對應(yīng)的速度大小為_ m/s，計數(shù)點6對應(yīng)的速度大小為_ m/s.(均保留三位有效數(shù)字)答案(1)C(2)B(3)1.001.20解析(1)本實驗需要根據(jù)紙帶上的數(shù)據(jù)計算物塊的速度，故需要用到刻度

20、尺測量點距，C正確(2)從題圖乙可以看出，物塊從計數(shù)點1開始加速，相鄰相等的時間間隔的位移差大約為2 cm，而第6個到第7個計數(shù)點間的距離與第5個到第6個計數(shù)點間的距離相比增加了1.27 cm，故開始減速的時刻位于計數(shù)點6和7之間某時刻，B正確(3)相鄰計數(shù)點的時間間隔T0.1 s，則計數(shù)點5對應(yīng)的速度v5eq f(x46,2T)eq f(9.0011.01102,20.1) m/s1.00 m/s由逐差法可得勻加速階段的加速度大小為aeq f(x46x24,4T2)eq f(9.0011.015.017.01102,40.12) m/s22.00 m/s2因而v6v5aT1.20 m/s.3

21、.(2020江蘇卷11)疫情期間“停課不停學(xué)”，小明同學(xué)在家自主開展實驗探究用手機拍攝物體自由下落的視頻，得到分幀圖片，利用圖片中小球的位置來測量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣龋瑢嶒炑b置如圖甲所示(1)家中有乒乓球、小塑料球和小鋼球，其中最適合用作實驗中下落物體的是_(2)下列主要操作步驟的正確順序是_(填寫各步驟前的序號)把刻度尺豎直固定在墻上捏住小球，從刻度尺旁靜止釋放手機固定在三角架上，調(diào)整好手機鏡頭的位置打開手機攝像功能，開始攝像(3)停止攝像，從視頻中截取三幀圖片，圖片中的小球和刻度如圖乙所示已知所截取的圖片相鄰兩幀之間的時間間隔為eq f(1,6) s，刻度尺的分度值是1 mm，由此測得重力加速

22、度為_ m/s2.(4)在某次實驗中，小明釋放小球時手稍有晃動，視頻顯示小球下落時偏離了豎直方向從該視頻中截取圖片，_(選填“仍能”或“不能”)用(3)問中的方法測出重力加速度答案(1)小鋼球(2)(3)9.6(9.59.7均可)(4)仍能解析(2)安裝好器材后，先打開手機攝像功能，再由靜止釋放小球這類似于使用打點計時器時先接通電源，再釋放紙帶，故順序是.(3)由題圖乙讀得x12.50 cm，x226.50 cm，x377.20 cm，由(x3x2)(x2x1)gT2，Teq f(1,6) s，解得g9.6 m/s2.(4)釋放時手抖動，導(dǎo)致小球的運動偏離了豎直方向，但在小球下落過程中，小球豎

23、直分運動仍然是加速度為重力加速度g的運動，故仍能用(3)問中的方法測出重力加速度4如圖甲，用電磁打點計時器測定物體做自由下落運動時的加速度，實驗打出一條較長紙帶，一同學(xué)在該紙帶上截取了不同位置的(a)(b)(c)(d)四段進行測量處理，每段紙帶上有三個計時點，按順序依次編號為011，測量結(jié)果如圖乙所示所用電源頻率為50 Hz.(1)5、6兩點之間撕掉了_個計時點；(2)通過對四段紙帶的計算分析，下述判斷比較接近事實的是_A物體開始下落時的加速度最接近重力加速度B當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣燃s為9.56 m/s2C隨物體速度的增大當(dāng)?shù)刂亓铀俣葴p小D實驗中物體所受阻力不可忽略答案(1)1(2)AD解析(1)由xxmxn(mn)aT2可估算(mn)eq f(x,aT2)eq f(3.702.54102,9.80.022)3即5、7計時點之間有3個T時間段，兩個計時點(包括6點)，如圖所示，故5、6之間有1個計時點(2)設(shè)四段對應(yīng)加速度分別為g1、g2、g3、g4，則由xgT2得g1g29.75 m/s2、g39.5 m/s2、g49.25 m/s2.由此可見，開始下落時物體的加速度最接近重力加速度，A正確；隨物體速度增大，加速度明顯減小，說明所受阻力明顯增大，因此當(dāng)?shù)刂亓?/p>