1、第五单元 实验：研究匀变速直线运动,一、实验目的 1练习使用电火花计时器或电磁打点计时器，利用打上点的纸带研究物体的运动情况 2掌握判断物体是否做匀变速运动的方法 3测定匀变速直线运动的加速度,二、实验原理 打点计时器的使用 (1)电磁打点计时器：电磁打点计时器是一种使用低压交流电源的仪器，它的工作电压为46 V当交流电源的频率为f50 Hz时，它每隔0.02 s打一次点,(2)电火花计时器：电火花计时器是利用火花放电使墨粉在纸带上打出墨点而显出点迹的计时仪器当电火花计时器接通220 V交流电源，按下脉冲输出开关时，计时器发出的脉冲电流经接正极的放电针、接负极的纸盘轴(墨粉纸盘)，产生火花放电
2、，于是在运动的纸带上打出一列点迹，当电源频率为50 Hz时，它的脉冲放电周期也是0.02 s，即每隔0.02 s打一个点,三、实验器材 电火花计时器或电磁打点计时器，纸带，电源，小车，细绳，一端附有滑轮的长木板，刻度尺，钩码，导线 四、实验步骤 1按图1把一端附有滑轮的长木板平放在实验桌上，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把细绳的一端固定在小车上，绕过滑轮后在另一端挂上适量的钩码，让纸带穿过打点计时器的限位孔后一端固定在小车上，用手拉住小车 3先接通电源，后放开小车，让小车运动，这样打点计时器就在纸带上打下一系列点，取下纸带，更换新纸带，至少重复操作两
3、次,4选打点清晰的纸带进行研究，舍去开头比较密集的点，确定好计数始点，每隔4个计时点取一个计数点，使时间间隔为T0.1 s. 5用毫米刻度尺量出各计数点之间的距离x1、x2、x3、xn，并填入记录表中用逐差法计算加速度的值，最后求其平均值或计算出各计数点对应的瞬时速度，作出vt图象，求得直线的斜率即为物体运动的加速度,五、纸带问题的处理方法 1运动性质的判断 常用“位移差”判断，在图2所示纸带中,(1)若x2x1x3x2x4x30，则为匀速直线运动 (2)若x2x1x3x2x4x3x恒量，则为匀变速直线运动,2计时点的瞬时速度的求法3加速度的求法 在所给纸带中： (1)当x无偏差时，用xaT2
4、求解 (2)当x有偏差时，用逐差法求解 若为偶数段，假设为6段，则,(3)利用vt图象的斜率求解例如，求出A、B、C、D、E、F各点的瞬时速度，画出如图3所示的vt图线，图线的斜率表示加速度的大小,六、实验注意事项 1开始释放小车时，应使小车靠近打点计时器 2应该先接通电源，再释放小车，当小车到达滑轮前及时用手按住 3先断开电源，再取下纸带 4如打出的点较轻或是短线时，应调整振针距复写纸的高度,5选择一条理想的纸带，是指纸带上的点迹清晰，适当舍弃点密集部分，适当选取计数点(注意计数点与计时点的区别)，弄清楚所选的时间间隔T等于多少秒 6每打好一条纸带，将定位轴上的复写纸换个位置，以保证打点清晰
5、(注意此项只对于电磁打点计时器) 7不要分段测量各段位移，应一次测出各计数点与第0个计数点的距离，再逐个计算x1、x2、x3、.读数时应估读到毫米的下一位,8尽可能保证小车做匀加速直线运动的方法是：(1)细绳尽可能与板面保持平行；(2)滑轮和车轮灵活；(3)长木板表面粗糙程度、纸带与打点计时器之间的摩擦基本保持一致 特别提醒：只有保证小车实际是做匀加速直线运动，测量的加速度大小才是真实的所以安装调节细绳与板面平行，保证小车运动时不从木板一侧偏下来；滑轮、车轮灵活，就可尽可能保证加速度不变；适当增加钩码重力也可相对减小各种摩擦的影响，满足实验条件,七、实验误差来源与分析 1小车拉着纸带所做的加速
6、运动中加速度不恒定，这样测量得到的加速度只能是所测量段的平均加速度 2纸带运动时打点不稳定引起测量误差 3纸带上计数点间距离测量带来偶然误差(如距离较小时的测量误差),4计数点间距离测量应从所标出的0、1、2、3、中的0点开始，分别测出01、02、03、之间的距离，然后计算01、12、23、间的距离分别表示为x1、x2、x3、，这样可以减小因测量带来的偶然误差 5小车运动受摩擦力变化产生误差 6数据处理时，有两种方法：,比较两种方法，方法1只用了x1、x6两个数据，而方法2用了6个数据，前者误差大,【例1】 在使用打点计时器时 ( ) A应先接通电源，再使纸带运动 B应先使纸带运动，再接通电源
7、 C在使纸带运动的同时接通电源 D先使纸带运动或先接通电源都可以,解析：先接通电源再使纸带运动，可使纸带上打出的点子更多，纸带利用率更高；另外，在纸带运动较快的情况下，如果先释放纸带后接通电源，可能造成纸带上无点的情况 答案：A,变式1：一同学用打点计时器做测匀变速直线运动加速度的实验时，纸带上打出的不是圆点，而是如图4中的一些短线这可能是因为 ( ) A打点计时器错接在直流电源上 B电源电压不稳定 C电源的频率不稳定 D振针压得过紧,解析：电源电压的高低，影响振动片磁化的强弱，从而影响打点的力度，即点痕的清晰程度，B错形成清晰的短划线，表示振动片有足够的磁性，只是由于振针与底板的间距偏小，当
8、振动片与永磁体相互作用向下打点尚未抬起时，纸带在外力作用下已被拖过一小段距离而打点计时器在直流电源上不工作，A错只能选D. 答案：D,【例2】 利用打点计时器测定匀加速直线运动的小车的加速度，如图5所示，给出了该次实验中，从0点开始，每5个点取一个计数点的纸带，其中0、1、2、3、4、5、6都为计数点，测得：x11.40 cm，x21.90 cm，x32.38 cm，x42.88 cm，x53.39 cm，x63.87 cm,(1)在计时器打出点1、2、3、4、5时，小车的速度分别为：v1_cm/s，v2_cm/s，v3_cm/s，v4_cm/s，v5_cm/s. (2)作出速度时间图象，并由
9、图象求出小车的加速度a_cm/s2.,解析：(1)小车速度,答案：(1)16.50 cm/s,21.40 cm/s， 2630 cm/s,31.35 cm/s；36.30 cm/s (2)如图示a50.83 cm/s2,变式2：在测定匀变速直线运动的加速度的实验中，用打点计时器记录纸带运动的时间，计时器所用的电源的频率为50 Hz，图7为做匀变速直线运动的小车带动的纸带上记录的一些点，在每相邻的两点中间都有四个点未画出，顺序取0、1、2、3、4、5六个点，用米尺量出1、2、3、4、5点到0点的距离分别是(单位：cm)8.78,16.08,21.87,26.16,28.94，由此可得出小车的加速
10、度大小为_ m/s2，方向_，经过2点时速度为_,解析：先计算出相邻两点间的距离：x18.78 cm，x2(16.088.78)cm7.30 cm，x3(21.8716.08)cm5.79 cm，x4(26.1621.87)cm4.29 cm，x5(28.9426.16)cm2.78 cm.,答案：1.50 m/s2 与速度方向相反 6.55 m/s,1在使用打点计时器时，发现打点计时器打点周期不稳定，其原因可能是 ( ) A交流电压不稳定 B永久磁铁磁性太弱 C电源的频率不稳定 D振动片的固有频率与交流电源的频率有偏差,解析：打点计时器的打点周期跟电源频率和振动片的固有频率有关一个性能良好的
11、打点计时器振动片的固有频率和使用的交流电频率相等这样振动片发生共振，振幅较大，打点清晰，等时性好，而电压的高低直接影响振动片的振动强弱，即振幅的大小，而不影响振动片的振动周期，故也不影响打点计时器的打点周期永久磁铁的磁性能影响打点痕迹的轻重，即点迹的清晰度，并不影响打点的周期综上所述，引起打点周期不稳定的原因是C、D两选项所述，故答案应为C、D两选项 答案：CD,2如图8所示，为同一打点计时器打出的两条纸带，由纸带可知 ( ) A在打下计数点“0”到“5”的过程中，纸带甲的平均速度比乙的大 B在打下计数点“0”到“5”的过程中，纸带甲的平均速度比乙的小 C纸带甲的加速度比乙的大 D纸带甲的加速
12、度比乙的小,解析：在打下计数点“0”至“5”的过程中，两纸带所用时间相同，但甲纸带位移小于乙纸带位移，故甲乙，选项A错，B对；相邻计数点间所用时间相等，但乙的速度变化得更快，故a甲a乙，选项C错，D对 答案：BD,二、填空题 3我国交流电的频率为50 Hz，因此，打点计时器每隔0.02 s打一个点如图9所示为某次实验时打出的一条纸带其中1,2,3,4为依次选定的计数点根据图中的数据，图中打12点时间内物体的平均速度为_m/s；打第24点时间内物体的平均速度为_m/s，打第2个计数点时物体的瞬时速度为_m/s，计算的依据是_,4用接在50 Hz交流电源上的打点计时器测定小车的运动情况某次实验中得
13、到的一条纸带如图10所示，从比较清晰的点起，每五个打印点取一个计数点，分别标明0、1、2、3，量得0与1两点间距离x130 mm,2与3两点间距离x348 mm，则小车在0与1两点间平均速度为v1_m/s，在2与3两点间平均速度为v2_m/s.据此可判定小车做_运动,图10,答案：0.3 0.84 加速,5如图11所示，是打点计时器打出的纸带，图中A、B、C、D、E、F点是按时间顺序先后打出的计数点(每两个计数点间有四个实验点未画出)用刻度尺量出AB、EF之间的距离分别是2.40 cm和0.84 cm，那么小车的加速度大小是_，方向是_,答案：0.39 m/s2 与运动方向相反,6如图12是某
14、同学用手水平地拉动纸带通过打点计时器后(电源频率为50 Hz)得到的纸带，从A点通过计时器到D点通过计时器历时_s位移为_m，这段时间内的平均速度为_m/s，BC段的平均速度为_m/s，F点的瞬时速度可以粗略的认为是_ m/s，手做_(匀速、变速)运动,答案：0.1 0.076 0.76 0.95 0.95 变速,7小球作直线运动时的频闪照片如图13所示，已知频闪周期T0.1 s，小球相邻位置间距(由照片中的刻度尺量得)分别为OA6.51 cm，AB5.59 cm，BC4.70 cm，CD3.80 cm，DE2.89 cm，EF2.00 cm.,小球在位置A时的速度大小vA_m/s. 小球运动的加速度大小a_m/s2.答案：0.605 0.9,解析：本题与用打点计时器测匀变速直线运动的加速度实验形异质同因此，处理数据的方法完全相同，因为做匀变速直线运动的物体在连续相等的时间间隔内位移的增量是相等的，所以若设x2x1x，则x3x1x3x2x2x12x，x4x13x，xnx1(n1)x.,答案：9.72 2.47,
