2019高考物理大一轮复习实验01研究匀变速直线运动学案新人教版

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2019高考物理大一轮复习实验01研究匀变速直线运动学案新人教版

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文 章
来源 莲山 课件 w w
w.5 Y k J.cOM 实验01 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v-t图象,根据图象求加速度.
二、实验原理
 
从纸带上确定计数点和两计数点间隔的时间,量出相邻计数点间的距离,利用平均速度求出瞬时速度;计算相邻计数点距离之差,看其是否是一个常数来确定运动性质.
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、细线、钩码、刻度尺、导线、电源、复写纸片.
四、实验步骤
1.按照实验原理图,把打点计时器固定在长木板无滑轮的一端,接好电源.
2.把一细线系在小车上,细线绕过滑轮,下端挂合适的钩码,纸带穿过打点计时器,固定在小车后面.
3.把小车停靠在打点计时器处,接通电源,放开小车.
4.小车运动一段时间后,断开电源,取下纸带.
5.换纸带反复做三次,选择一条比较理想的纸带进行测量分析.
  某同学用如图甲所示的实验装置研究匀变速直线运动.
 
实验步骤如下:
A.安装好实验器材;
B.让小车拖着纸带运动,打点计时器在纸带上打下一系列小点,重复几次,选出一条点迹比较清晰的纸带,从便于测量的点开始,每五个点取一个计数点,如图乙中a、b、c、d等点;
C.测出x1、x2、x3….
结合上述实验步骤,请你继续完成下列任务:
(1)实验中,除打点计时器(含纸带、复写纸)、小车、一端附有滑轮的长木板、细绳、钩码、导线及开关外,在下列仪器和器材中,必须使用的有__________(填选项代号)
A.电压合适的50 Hz交流电源 B.电压可调的直流电源
C.秒表 D.刻度尺 
E.天平  F.重锤 
G.弹簧测力计
(2)如果小车做匀加速运动,所得纸带如图乙所示,则x1、x2、x3的关系是____________________,已知打点计时器打点的时间间隔是t,则打c点时小车的速度大小是__________
(3)如果小车做匀加速直线运动,测出前六段相等时间内的位移分别为x1、x2、x3、x4、x5、x6,已知打点计时器打点的时间间隔是t,则小车的加速度a的表达式为:__________
答案:(1)AD (2)x3-x2=x2-x1 x2+x310t
(3)a=x4+x5+x6-x1+x2+x3225 t2
 
(1)两种打点计时器的不同
①电磁打点计时器使用6 V以下低压50 Hz交流电源,用振针打点,每隔0.02 s打一次点.
②电火花计时器使用220 V 50 Hz交流电源,电火花打点,每隔0.02 s打一次点.
(2)匀变速直线运动的判断:连续相等时间内的位移之差为恒量,即x2-x1=x3-x2=x4-x3=…=恒量,物体做匀变速直线运动.
[跟踪训练]
1.(2018•佛山模拟)某同学利用打点计时器测量小车做匀变速直线运动的加速度.
(1)电磁打点计时器是一种使用____________(选填“交流”或“直流”)电源的计时仪器,它的工作电压是4~6 V,当电源的频率为50 Hz时,它每隔____________ s打一次点.
(2)使用打点计时器时,接通电源与让纸带随小车开始运动,这两个操作过程的操作顺序应该是(  )
A.先接通电源,后释放纸带
B.先释放纸带,后接通电源
C.释放纸带的同时接通电源
D.哪个先,哪个后都可以
(3)实验中该同学从打出的若干纸带中选取一条纸带,如图所示,纸带上按时间顺序取A、B、C、D四个计数点,每两个点之间还有四个点未画出,用尺子测得相邻各点间的距离为x1=3.62 cm,x2=4.75 cm,x3=5.88 cm.
根据纸带数据可以判断小车在做匀加速直线运动,理由是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________.
(请用文字描述);在计数点C所代表的时刻,纸带运动的瞬时速度是__________ m/s,小车的加速度是____________m/s2.(以上两空小数点后保留两位数字)
 
解析:(1)电磁打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器,当电源频率为50 Hz时,它每隔0.02 s打一次点.
(2)在使用打点计时器时,应先接通电源,待打点稳定后再释放纸带,A正确.
(3)当相邻相等时间内的位移之差都相等时,小车做匀加速直线运动.vC=x2+x32T,T=0.1 s
可求得vC=0.53 m/s
由Δx=x2-x1=x3-x2=aT2可得:a=1.13 m/s2.
答案:(1)交流 0.02 (2)A (3)相邻相等时间内的位移差相等 0.53 1.13
 
(对应学生用书P12)
一、数据处理
1.利用逐差法求平均加速度
a1=x4-x13T2,a2=x5-x23T2,a3=x6-x33T2,
a=a1+a2+a33.
2.利用平均速度求瞬时速度
vn=xn+xn+12T=dn+1-dn-12T.
3.利用速度-时间图象求加速度:作出速度-时间图象,通过图象的斜率求物体的加速度.
二、注意事项
1.平行:纸带、细线要和木板平行.
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.减小误差:小车的加速度要适当大些,可以减小长度的测量误差,加速度大小以能在约50 cm的纸带上清楚地取出6~7个计数点为宜.
5.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.
三、误差分析
1.使用刻度尺测计数点的距离时有误差.
2.作v-t图象时出现作图误差.
3.电源频率不稳定,造成打点的时间间隔不完全相同.
4.长木板粗糙程度不均匀,小车运动时加速度有变化造成误差.
  (2018•上高二中月考)在做“研究匀变速直线运动”的实验时,某同学得到一条用电火花计时器打下的纸带如图甲所示,并在其上取了A、B、C、D、E、F、G7个计数点,每相邻两个计数点间还有4个点图中没有画出,电火花计时器接220 V、50 Hz交流电源
他经过测量并计算得到电火花计时器在打B、C、D、E、F各点时物体的瞬时速度如下表:
对应点 B C D E F
速度(m/s) 0.141 0.180 0.218 0.262 0.301
(1)设电火花计时器的周期为T,计算vF的公式为vF=____________;
(2)根据(1)中得到的数据,以A点对应的时刻为t=0,试在图乙所示坐标系中合理地选择标度,作出v-t图象。
 
(3)利用该图象求物体t=0时刻的速度v=____________m/s.(结果保留两位有效数字)
(4)利用该图象求物体的加速度a=____________ m/s2.(结果保留两位有效数字)
(5)如果当时电网中交变电流的电压变成210 V,而做实验的同学并不知道,那么加速度的测量值与实际值相比__________(选填“偏大”、“偏小”或“不变”)
解析:(1)每相邻两个计数点间还有4个点图中没有画出,所以相邻两个计数点间的时间间隔T′=5T,根据匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于该过程中的平均速度,得:
vF=d6-d410T
(2)根据(1)中得到的数据,以A点对应的时刻为t=0,作出v-t图象.
 
(3)利用该图象求物体t=0时刻的速度v=0.10 m/s.
(4)由速度—时间图象的斜率表示加速度,得:a=0.3-0.10.5 m/s2=0.40 m/s2
(5)电网电压变化,并不改变打点的周期,故测量值与实际值相比不变.
答案:(1)d6-d410T (2)如图所示
 
(3)0.10 (4)0.40 (5)不变
[跟踪训练]
2.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: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、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T=0.02 s,其中x1=7.05 cm、x2=7.68 cm、x3=8.33 cm、x4=8.95 cm、x5=9.61 cm、x6=10.26 cm.
 
下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.
位置 B C D E F
速度(m•s-1) 0.737 0.801   0.994
(3)以A点为计时起点,在坐标图中画出小车的速度-时间关系图线.
 
(4)根据你画出的小车的速度-时间关系图线计算出的小车的加速度a=____________ m/s2.
(5)如果当时电网中交变电流的频率是f=49 Hz,而做实验的同学并不知道,由此引起的系统误差将使加速度的测量值比实际值偏__________(选填“大”或“小”)
解析:(1)本实验中不需要测量力的大小,因此不需要的器材是弹簧测力计.
(2)根据匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度知:
vD=x3+x42t=8.33+8.95×10-2 m2×0.1 s=0.864 m/s
同理可得vE=0.928 m/s.
(3)小车的速度-时间关系图线如图所示.
 
(4)小车的加速度
a=ΔvΔt=1.00-0.700.52-0.04 m/s2=0.63 m/s2.
(5)当交变电流的频率f=49 Hz时,实际周期大于0.02 s,根据运动学公式Δx=aT2得,测量的加速度值与实际值相比是偏大的.
答案:见解析
 
(对应学生用书P13)
从原理迁移和数据处理技巧上进行创新
1.复习启示
高考实验题一般源于教材而不拘泥于教材,是在教材实验的基础上创设新情景.因此,要在夯实基础实验的基础上注意迁移创新能力的培养,善于用教材中实验的原理、方法和技巧处理新问题.
2.情景拓展
 
 
3.数据处理
(1)加速度的获得:靠重物的拉力获得加速度→长木板倾斜靠重力获得加速度.
(2)速度的测量方法:由打点纸带求速度→测定遮光片的宽度d和遮光片通过光电门的挡光时间Δt,由v=dΔt求速度.
(3)加速度的测量方法:由打点纸带利用逐差法求加速度→利用经过两个光电门的瞬时速度,由速度位移关系式求加速度.
  光电计时器也是一种研究物体运动情况的常用计时仪器,其结构如图甲所示,a、b分别是光电门的激光发射和接收装置,当有物体从a、b间通过时,光电计时器就可以精确地把物体从开始挡光到挡光结束的时间记录下来.现利用图乙所示的装置测量滑块和长木板间的动摩擦因数,图中MN是水平桌面,Q是长木板与桌面的接触点,1和2是固定在长木板适当位置的两个光电门,与之连接的两个光电计时器没有画出,长木板顶端P点悬有一铅锤.实验时,让滑块从长木板的顶端滑下,光电门1、2各自连接的计时器显示的挡光时间分别为1.0×10-2 s和4.0×10-3 s.用精度为0.05 mm的游标卡尺测量滑块的宽度d,其示数如图丙所示.
 
(1)滑块的宽度d=____________ cm.
(2)滑块通过光电门1时的速度v1=____________ m/s,滑块通过光电门2时的速度v2=____________ m/s.(结果保留两位有效数字).
(3)由此测得的瞬时速度v1和v2只是一个近似值,它们实质上是通过光电门1和2时的____________,要使瞬时速度的测量值更接近于真实值,可将____________的宽度减小一些.
解析:(1)d=10 mm+0.05 mm×2=10.10 mm=1.010 cm.
(2)v1=dt1=1.010×10-21.0×10-2 m/s≈1.0 m/s,
v2=dt2=1.010×10-24.0×10-3 m/s≈2.5 m/s.
(3)v1、v2实质上是滑块通过光电门1和2时的平均速度,要使瞬时速度的测量值更接近于真实值,可将滑块的宽度减小一些.
答案:(1)1.010 (2)1.0 2.5 (3)平均速度 滑块
 
本实验用光电计时器代替打点计时器来测量速度和加速度,是对原有实验条件、实验器材的迁移和改进,不脱离教材而又不拘泥于教材,仍属于纸带问题的延伸.
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