1、实验1 研究匀变速直线运动,-2-,一、实验目的 1.练习使用打点计时器,学会通过纸带上的点研究物体的运动情况。 2.会利用纸带求匀变速直线运动的速度、加速度。 3.利用打点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图像,根据图像求加速度。 二、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。,-3-,三、实验原理 1.打点计时器原理,-4-,2.匀变速直线运动的分析 (1)利用纸带判断物体是否做匀变速直线运动的方法 沿直线运动的物体在连续相等时间内的位移分别为x1,x2,x3,x4,xn,若x=x2-x1
2、=x3-x2=x4-x3=xn-xn-1,则说明物体做匀变速直线运动。 (2)速度的求解方法,-5-,(3)加速度的求解方法,图像法:以打某计数点时为计时起点,利用vn= 求出打各点时的瞬时速度,描点得v-t图像,图像的斜率即为物体做匀变速直线运动的加速度。,-6-,四、实验步骤 1.把附有滑轮的长木板放在实验桌上,并使有滑轮一端伸出桌面,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,细绳绕过滑轮,下边挂上合适的钩码,将纸带穿过打点计时器,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。,-7-,3.把小车停在靠近打点计时器处,
3、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。,-8-,五、数据处理 1.由实验数据得出v-t图像 (1)从几条纸带中选择一条比较理想的纸带,舍掉开始一些比较密集的点,在后面便于测量的地方找一个开始点,以后依次每五个点取一个计数点,确定好计数开始点,并标明0、1、2、3、4、,测量各计数点到0点的距离x,并填入表中。,-9-,(2)利用一段时间内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1、2、3、4、的瞬时速度,填入上面的表格中。 (3)根据表格中的v、t数据,在直角坐标系中描点。 (4)根据描点作一条直线,使尽量多的点落到这
4、条直线上,落不到直线上的各点尽可能均匀分布在直线的两侧,如图所示。,-10-,2.小车运动的速度随时间变化的规律 (1)小车运动的v-t图像是一条倾斜的直线,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时,可以得出结论:小车的速度随时间均匀变化。 (2)既然小车的v-t图像是一条倾斜的直线,那么v随t变化的函数关系式为v=kt+b,所以小车的速度随时间均匀变化。,-11-,六、注意事项 1.平行 纸带、细绳要和长木板平行。 2.靠近 释放小车前,应使小车停在靠近打点计时器的位置。 3.先后顺序 实验时应先接通电源,后释放小车;一次实验结束时先断开电源,后取下纸带。 4.防止碰撞 在到
5、达长木板末端前应让小车停止运动,防止钩码落地和小车与滑轮碰撞。 5.减小误差 细绳的另一端挂的钩码个数要适当,避免速度过大而使纸带上打的点太少,或者速度太小使纸带上打的点过于密集。,-12-,6.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。 7.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,应作一条平滑曲线,让尽量多的点落到这条曲线上,落不到曲线上的各点应均匀分布在曲线的两侧。,-13-,七、误差分析 1.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
6、电源的电压及频率。 2.测量纸带误差,为减小误差舍弃点密集部分,适当选取计数点。 3.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。 4.用作图法作出的v-t图像不是一条直线。为此在坐标纸上描点时,纵、横轴选取合适的单位,描点连线时,不能连成折线,让各点尽量落到曲线上,落不到曲线上的各点应均匀分布在曲线的两侧。,-14-,要最大限度地减少小车与长木板、打点计时器与纸带间的阻力,应如何改进实验呢?结合教材的介绍,想一下有哪些方法? 提示：用气垫导轨代替长木板或在长木板上铺一层白纸以减小摩擦阻力。 用频闪照相的方法或光电计时器代替打点计时器,可以最大限度地减少打点计时器的限位孔
7、与纸带间的摩擦阻力,使小车尽可能做匀加速直线运动,以提高实验的精确度。,-15-,考点一,考点二,考点三,实验原理与操作,例1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。,-16-,考点一,考点二,考点三,C.测出x1、x2、x3、。 结合上述实验步骤,回答下列问题: (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,在下列的器材中,必须使
8、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.停表 D.刻度尺 E.天平 F.重锤 G.弹簧测力计 H.滑动变阻器 (2)如果小车做匀加速直线运动,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 。,答案,解析,-17-,考点一,考点二,考点三,特别提醒1.计时点和计数点 (1)计时点和计数点的比较 计时点是打点计时器打在纸带上的实际点,如果所用电源频率为50 Hz,则两相邻点间的时间间隔为0.02 s;计数点是人们根据需要按一定的个数选择的点,两个相邻计数点间的时间间隔由选择的个数而定,
9、如每5个点取一个计数点和每隔4个点取一个计数点,时间间隔都是0.1 s。 (2)纸带上相邻的两点的时间间隔均相同,速度越大,纸带上的计数点越稀疏。 2.纸带上点的意义 (1)反映和纸带相连的物体在不同时刻的位置。 (2)通过研究纸带上各点之间的距离,可以判断物体的运动情况。 (3)可以利用纸带上打出的点来确定计数点间的时间间隔。,-18-,考点一,考点二,考点三,数据处理与误差分析 例2(1)图甲为探究小车速度随时间变化的规律的实验装置图,按照实验要求应该( ) A.先释放小车,再接通电源 B.先接通电源,再释放小车 C.同时释放小车和接通电源 (2)本实验必须( ) A.要平衡摩擦力 B.要
10、求悬挂物的质量远小于小车的质量 C.上述两项要求都不需要,甲,-19-,考点一,考点二,考点三,(3)图乙为在探究小车速度随时间的变化规律实验中得到的纸带,从中确定五个计数点,量得d1=8.00 cm,d2=17.99 cm,d3=30.00 cm,d4=44.01 cm,每相邻两个计数点间的时间间隔是0.10 s。则打C点时小车的速度vC= m/s,小车的加速度a= m/s2。(结果保留两位有效数字),答案,解析,-20-,考点一,考点二,考点三,例3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 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; 打开试管夹,由
11、静止释放小铁球,光电计时器记录小铁球在通过两个光电门的运动时间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; 保持光电门1的位置不变,改变光电门2的位置,重复的操作,测出多组(h,t),计算出对应的平均速度v;,-21-,考点一,考点二,考点三,画出v-t图像。,甲 乙,-22-,考点一,考点二,考点三,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:,请在图乙坐标纸上画出v-t图像。 (3)根据v-t
12、图像,可以求得当地重力加速度g= m/s2,试管夹到光电门1的距离约为 cm。(以上结果均保留两位有效数字),-23-,考点一,考点二,考点三,解析：(1)匀变速直线运动中,时间中点的瞬时速度等于该过程中的平均速度,电火花计时器的周期为T,所以从E点到G点时间为10T,有vF= 。 (2)根据表中数据,利用描点法作出图像如图所示。,-24-,考点一,考点二,考点三,(3)图像斜率大小等于加速度大小,故,(4)打点计时器的打点频率与交流电源的频率相同,电源电压降低不改变打点计时器的打点周期,所以对测量结果没有影响。,规律总结1.运动性质的判断:看相邻计数点间的距离特点。 2.瞬时速度的求解:采用
13、平均速度法求某一点的瞬时速度。 3.加速度的求解:v-t图像法;推论法(x=aT2);逐差法。,-25-,考点一,考点二,考点三,实验的改进与创新 本实验是以教材中的实验为背景,通过改变实验条件、实验仪器等设置题目,不脱离教材而又不拘泥于教材,体现开放性、探究性等特点。多从原理演化和数据处理技巧上进行创新。 1.原理演化(如图所示),-26-,考点一,考点二,考点三,2.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沿木板方向的分力获得加速度。 (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t,由v= 求速度。 (3)加速度的测量方法
14、: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,由速度与时间(位移)关系求加速度。,-27-,考点一,考点二,考点三,例4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 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; 打开试管夹,由静止释放小铁球,光电计时器记录小铁球在通过两个光电门的运动时间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; 保持光电门1的位置不变,改变光电门2的位置,重复的操作,测出多组(h,t),计算出对应的平均速度v;,-28-,考点一,考点二,考点三,画出v-t图像。,-29-
15、,考点一,考点二,考点三,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:,请在图乙坐标纸上画出v-t图像。 (3)根据v-t图像,可以求得当地重力加速度g= m/s2,试管夹到光电门1的距离约为 cm。(以上结果均保留两位有效数字),答案,解析,-30-,考点一,考点二,考点三,例5(2017全国卷)某探究小组为了研究小车在桌面上的直线运动,用自制“滴水计时器”计量时间。实验前,将该计时器固定在小车旁,如图甲所示。实验时,保持桌面水平,用手轻推一下小车
16、,在小车运动过程中,滴水计时器等时间间隔地滴下小水滴,图乙记录了桌面上连续6个水滴的位置。(已知滴水计时器每30 s内共滴下46个小水滴),-31-,考点一,考点二,考点三,(1)由图乙可知,小车在桌面上是 (选填“从右向左”或“从左向右”)运动的。 (2)该小组同学根据图乙的数据判断出小车做匀变速运动。小车运动到图乙中A点位置时的速度大小为 m/s,加速度大小为 m/s2。(结果均保留2位有效数字),-32-,考点一,考点二,考点三,解析：(1)小车在阻力的作用下,做减速运动,由题图乙知,从右向左相邻水滴间的距离逐渐减小,所以小车在桌面上是从右向左运动的。,答案：(1)从右向左 (2)0.1
17、9 0.038,特别提醒创新实验题一般情景新而知识旧,因此做实验题应注重知识的迁移应用,用教材中实验的原理、方法和技巧处理新问题。对于本题来说,物理过程是旧的,但情景是新的,数据处理属于逐差法处理纸带问题的延伸。,-33-,1,2,1.在做探究小车速度随时间变化规律的实验时,某同学得到一条用打点计时器打下的纸带,并在其上取了A、B、C、D、E、F 6个计数点(每相邻两个计数点间还有4个打点计时器打下的点,图中没有画出),打点计时器接的是220 V、50 Hz的交流电源。他把一把毫米刻度尺放在纸带上,其零刻度和计数点A对齐。,(1)按照有效数字的读数规则读出相邻计数点AB、BC、CD、DE、EF
18、间的距离x1、x2、x3、x4、x5,它们依次为 cm、cm、 cm、 cm、 cm。,-34-,1,2,(2)由以上数据可计算出打点计时器在打B、C、D、E各点时,物体的瞬时速度vB、vC、vD、vE依次是 m/s、 m/s、 m/s、 m/s。 (3)根据(2)中得到的数据,试在所给的坐标系中,用作 v-t 图像的方法,从图像中求出该物体的加速度a= 。(要标明坐标及其单位,单位大小要取得合适,使作图和读数方便,并尽量充分利用坐标纸),-35-,1,2,解析：(1)从刻度尺上分别读出相邻计数点间的距离x1=1.00 cm,x2=1.40 cm,x3=1.84 cm,x4=2.26 cm,x
19、5=2.67 cm。 (2)由题意知,相邻计数点之间的时间间隔 T=50.02 s=0.1 s。根据中间时刻的瞬时速度等于这一过程的平均速度,可求得打B、C、,-36-,1,2,(3)以打A点时开始计时,图像如图所示图线的斜率就是加速度,求得,-37-,1,2,答案：(1)1.00 1.40 1.84 2.26 2.67 (2)0.120 0.162 0.205 0.247 (3)图像见解析 0.425 m/s2,-38-,1,2,2.利用如图甲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
20、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光电门乙所用的时间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,并用刻度尺测量光电门甲、光电门乙之间的距离x,记下相应的t值,所得数据如下表所示。,-39-,1,2,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vt、测量值x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,在图乙给出的坐标纸上画出 -t图线;,-40-,1,2,乙 (3)由所画出的 -t图线,得出滑块加速度的大小为a= m/s2(保留2位有效数字)。,-41-,1,2,
