1、实验1 研究匀变速 直线运动,实验溯本求源实验热点探究教师备用习题课时巩固训练,一、实验目的 1.练习使用电磁打点计时器(或电火花计时器),会用打点的纸带研究物体的运动情况. 2.测量匀变速直线运动的瞬时速度和加速度. 二、实验原理 1.电磁打点计时器和电火花计时器都是使用交流电源的计时仪器,电磁打点计时器的工作电压在 V以下,电火花计时器的工作电压是220 V.当电源频率是50 Hz时,它每隔 s打一次点.在小车运动过程中,使用电火花计时器时纸带受到的摩擦力比使用电磁打点计时器时小一些.,1.6,0.02,2.利用纸带判断物体运动状态的方法:设纸带上连续相等时间T内的位移分别为x1、x2、x
2、3、x4、xn-1、xn、xn+1,纸带上相邻两点间的位移差为x. (1)若x=xn+1-xn为零,则说明物体做 运动; (2)若x=xn+1-xn为非零常数,则说明物体做 运动. 3.利用纸带求瞬时速度的方法:如图S1-1所示,B点的瞬时速度等于AC段的平均速度,即vB= .,图S1-1,匀速直线,匀变速直线,4.利用纸带求加速度的方法 (1)用任意两段相邻计数点间的位移差求加速度:a= . (2)用v-t图像的斜率求加速度:a= . 三、实验器材 电火花计时器(或电磁打点计时器)、交流电源、导线、一端附有定滑轮的长木板、小车、 、细绳、钩码(或重锤)、刻度尺、墨粉纸(电磁打点计时器配备的是
3、复写纸片).,纸带,四、实验步骤 1.安装实验装置,如图S1-2所示. 2.先接通电源,然后释放小车,重复打纸带3条. 3.挑选纸带,确定计数点,测相邻计数点之间的距离. 4.用x=aT2确定物体的运动是匀速直线运动还是匀变速直线运动. 5.用瞬时速度与平均速度的关系求瞬时速度,用公式x=aT2或v-t图像求加速度.,图S1-2,热点一 实验原理与实验操作,例1 2016天津卷 某同学利用如图S1-3所示装置研究小车的匀变速直线运动. (1)实验中,必要的措施是 . A.细线必须与长木板平行 B.先接通电源再释放小车 C.小车的质量远大于钩码的质量 D.平衡小车与长木板间的摩擦力,图S1-3,
4、(2)他实验时将打点计时器接到频率为50 Hz的交流电源上,得到一条纸带,打出的部分计数点如图S1-4所示(每相邻两个计数点间还有4个点,图中未画出).s1=3.59 cm,s2=4.41 cm,s3=5.19 cm,s4=5.97 cm,s5=6.78 cm,s6=7.64 cm.则小车的加速度a= m/s2(要求充分利用测量的数据),打点计时器在打B点时小车的速度vB= m/s.(结果均保留两位有效数字),图S1-4,变式 在做“研究匀变速直线运动”的实验时,为了能够较准确地测出加速度,下列说法正确的是 . A.把附有滑轮的长木板放在实验桌上,并使滑轮伸出桌面 B.把打点计时器固定在长木板
5、上没有滑轮的一端,连接好电路 C.再把一条细绳拴在小车上,细绳跨过滑轮,下边挂上合适的钩码,每次必须由静止释放小车 D.把纸带穿过打点计时器限位孔,并把它的一端固定在小车的后面 E.把小车停在靠近打点计时器处,接通直流电源后,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,特别提醒 1.纸带和细绳要和木板平行,小车运动要平稳. 2.实验时应先接通电源,后让小车运动;实验后先断开电源,后取纸带. 3.要防止钩码落地和小车与滑轮相撞. 4.小车的加速度宜适当大些,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67个计数点为宜. 5.选
6、择一条理想的纸带,是指纸带上的点迹清晰,舍弃打点密集的部分,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.,热点二 数据处理与误差分析,1.关于数据处理 (1)纸带的取点处理原则 如图S1-5所示,从打下的纸带中选取点迹清晰的纸带,舍掉开始比较密集的点迹,从便于测量的位置取一个开始点A,然后每5个点(或每隔4个点)取一个计数点,分别记为B、C、D、E、F这样每两个计数点之间的时间间隔为T= s,计算比较方便.,图S1-5,0.1,0.1,斜率,图S1-6,(2)位移的测量引起误差 如果各计数点间的位移较小或相邻计数点之间的位移之差较小,位移测量的相对误差就会较大,
7、从而导致速度和加速度的测量误差较大. 实验基础链接1误差 (一)误差测量值与 的差异.误差存在于一切测量之中,而且贯穿测量过程的始终.实验中,误差是不可避免的,但可以 . (二)误差的分类 1.按误差的性质和来源划分,可分为系统误差和 误差.,真实值,减小,偶然,(1)系统误差:在一定条件下(指使用的仪器、方法、测量时的环境和测量者均一定),对同一物理量进行多次重复测量,各次测量的结果总是 或总是 . 系统误差的主要来源 仪器误差:由于仪器本身的缺陷,如弹簧测力计的零点不准、游标卡尺的零点不准、天平砝码的标称质量不准等等. 理论误差:实验所依据的理论或实验方法本身不完善,如用伏安法测电阻. 环
8、境误差:实验时没有考虑外界环境的影响造成的误差.,偏大,偏小,人身误差:测量者自身原因的影响,如使用秒表时,按表常常提前或滞后. 减小系统误差的方法有: 、 、控制实验条件、提高实验技能等. (2)偶然误差:各种不可避免的偶然因素对实验者或实验仪器产生的影响,使测量结果相对真实值的偏差有时 ,有时 ,在一定数值范围内无规则地涨落,但在大数量测量中,偏大、偏小的机会 .,提高实验仪器的测量精度,完善实验原理,改进实验方法,偏大,偏小,相等,偶然误差有别于系统误差的两个基本特点是:第一,偶然误差在多次测量中有时偏大,有时偏小,且偏大或偏小的程度 ;第二,偶然误差是在实验过程中遇到无法预测、无法控制
9、的偶然因素的影响造成的.如电压的不稳定引起输出电流的波动;外部环境的气流、室温、振动等使实验受到干扰;读数时人眼在估读时具有的偶然性. 减小偶然误差的方法有: 、作图法.,不同,多次测量取平均值,2.按分析的数据来划分,可分为绝对误差和相对误差. (1)绝对误差是指测量值与真实值的差异,即:绝对误差=|测量值-真实值|,它反映测量值偏离真实值的大小. (2)相对误差(百分误差)是指真实值与测量值之差的绝对值与真实值之比,即:相对误差= . 相对误差反映了实验结果的精确程度,对于两个测量值的评估,必须比较其误差,绝对误差的大小并不决定相对误差的大小.,相对,实验基础链接2有效数字知道有效数字的概
10、念,会用有效数字表达直接测量的结果,间接测量的有效数字运算不作要求. 1.带有一位 数字的近似数字叫作有效数字.有效数字的最后一位是测量者估读出来的,因此这一位有效数值是不可靠的,也是误差所在位.只能带有一位不可靠数字,不是位数越多越好. 2.有效数字位数的判定方法 (1)从左往右数,从第一个不为零的数字起,数到右边最末一位估读数字止.,不可靠,(2)有效数字的位数与小数点的位置无关,可以采用科学记数法来表示.如0.0735=7.3510-2,有 位有效数字. (3)以从左往右第一个不为零数字为标准,其左边的“0”不是有效数字,其右边的“0”是有效数字. (4)作为有效数字的“0”,不可省略不
11、写,不论此“0”在数字之间或是数字末尾.如不能将1.350 m写成1.35 m,因为它们的误差不相同.,三,(5)乘方不算有效数值.如:5400 m和5.4103 m,所表示的有效位数是不同的,前者为 位有效数值,后者为 位有效数值,其意义也不同,前者末位的“0”是估读的,后者“4”是估读的,前者所用的测量工具的最小刻度值为 ,后者所用的测量工具的最小刻度值是 . 3.有效数字运算不作要求,运算结果一般可用23位有效数字表示.,四,两,10 m,1000 m,例2 图S1-7是某同学做“研究匀变速直线运动”实验时获得的一条纸带. (1)打点计时器电源频率为50 Hz.A、B、C、D、E、F、G
12、是纸带上7个连续的点,F点由于不清晰而未画出.试根据纸带上的数据,推测F点在刻度尺上的位置,其读数应记为 cm.算出F点对应的速度大小为vF= (计算结果保留两位有效数字)m/s.,图S1-7,(2)请根据纸带上的数据,作出的v-t图像.(3)根据图像,可得t=0时的速度vA= m/s,加速度a= m/s2.(计算结果保留两位有效数字),图S1-8,变式 2016海南卷 某同学利用图S1-9(a)所示的实验装置探究物块速度随时间的变化.物块放在桌面上,细绳的一端与物块相连,另一端跨过滑轮挂上钩码.打点计时器固定在桌面左端,所用交流电源频率为50 Hz.纸带穿过打点计时器连接在物块上.启动打点计
13、时器,释放物块,物块在钩码的作用下拖着纸带运动.打点计时器打出的纸带如图(b)所示(图中相邻两点间有4个点未画出).,图S1-9,根据实验数据分析,该同学认为物块的运动为匀加速运动.回答下列问题: (1)在打点计时器打出B点时,物块的速度大小为 m/s.在打出D点时,物块的速度大小为 m/s.(保留两位有效数字) (2)物块的加速度大小为 m/s2.(保留两位有效数字),特别提醒 1.对于实验数据的记录要遵守有效数字读数规则,结果要符合题目要求. 2.计算方法的选用:求加速度的三种方法中,用x=aT2直接求加速度的方法简单,但误差较大,适用于测量数据准确或计数间隔较少的情况;逐差法求加速度结果
14、较准确,误差较小,但需选取的计数间隔为偶数;图像法求加速度科学性强、误差小,适用于所测数据的计数间隔较多的情况. 3.牵引小车的钩码数要适当.小车的加速度过大或过小将导致纸带上的点过少或各段位移差过小,从而产生较大的测量误差.加速度的大小以能在约50 cm的纸带上清晰地选取67个计数点为宜.,热点三 关于速度的测量的其他方法,高中阶段,关于物体速度的测量无非是位移和时间的测量.位移的测量主要是用毫米刻度尺,而对于时间的测量,则有多种方法,从历年高考试题分析,涉及时间的测量主要有打点计时器、光电门(如下面例3)、频闪照相(如下面例3变式题)几种形式.而2017年全国卷第22题用自制“滴水计时器”
15、计量时间与打点计时器原理近似.,例3 2017全国卷 某同学研究在固定斜面上运动物体的平均速度、瞬时速度和加速度之间的关系.使用的器材有:斜面、滑块、长度不同的矩形挡光片、光电计时器. 实验步骤如下:如图S1-10(a),将光电门固定在斜面下端附近;将一挡光片安装在滑块上,记下挡光片前端相对于斜面的位置,令滑块从斜面上方由静止开始下滑;,图S1-10,变式 在暗室中用如图S1-12所示装置做“测定重力加速度”的实验.实验器材有:支架、漏斗、橡皮管、尖嘴玻璃管、螺丝夹子、接水铝盒、一根带有荧光刻度的米尺、频闪仪.具体实验步骤如下: 在漏斗内盛满清水,旋松螺丝夹子,水滴会以一定的 频率一滴滴地落下
16、. 用频闪仪发出的白闪光将水滴流照亮,由大到小逐渐调 节频闪仪的频率直到第一次看到一串仿佛固定不动的水滴. 用竖直放置的米尺测得各个水滴所对应的刻度.,图S1-12,采集数据进行处理. (1)实验中看到空间有一串仿佛固定不动的水滴时,频闪仪的闪光频率满足的条件是 . (2)实验中观察到水滴“固定不动”时的 闪光频率为30 Hz,某同学读出其中比较 远的水滴到第一个水滴的距离如图S1- 13所示,根据数据测得当地重力加速度g= m/s2;第8个水滴此时的速度v8= m/s.(结果均保留三位有效数字) (3)该实验存在的系统误差可能有(答出一条即可): .,图S1-13,注意事项 (1)应先接通电
17、源,待打点稳定后,再释放小车使其牵引纸带运动.当小车停止运动时要及时断开电源. (2)释放小车前,小车应停在木板上靠近打点计时器的位置.,1.2017山西重点中学协作体期末 某同学用打点计时器研究小车的匀变速直线运动,他将打点计时器接到频率为50 Hz的交流电源上,实验时得到的一条纸带如图所示,他在纸带上便于测量的地方选取第一个计数点,在这点下标明A,第六个点下标明B,第十一个点下标明C,第十六个点下标明D,第二十一个点下标明E.测量时发现B点已模糊不清,他只测得AC长为14.56 cm,CD长为11.15 cm,DE长为13.73 cm.,(1)为了探究匀变速直线运动的规律,该同学所取的计数
18、点个数 (填字母序号). A.偏少 B.偏多 C.合适 (2)若小车做匀变速直线运动,由该同学所测的实验数据,请你帮他求出:打C点时小车的瞬时速度vC= m/s,小车的加速度a= m/s2,A、B的距离应为 cm. (3)打A点时小车的瞬时速度vA= (计算结果保留三位有效数字)m/s.,2.小华同学在做“研究匀变速直线运动”实验中,将打点计时器固定在某处,在绳子拉力的作用下小车拖着穿过打点计时器的纸带在水平木板上运动,如图所示.由打点计时器得到表示小车运动过程的一条清晰纸带的一段.如图所示,在打点计时器打出的纸带上确定出八个计数点,相邻两个计数点之间的时间间隔均为0.1 s,并用刻度尺测出了
19、各计数点到计数点0的距离,图中所标数据的单位是cm.,(1)根据纸带提供的信息,小华同学已经计算出了打下1、2、3、4、5这五个计数点时小车的速度,请你帮助他计算出打下计数点6时小车的速度(结果保留3位有效数字),并填入下表. (2)以速度v为纵轴、时间t为横轴 在坐标纸上建立直角坐标系,根据 上表中的v、t数据,在坐标系中描点, 并作出小车运动的v-t图像.,(3)根据v-t图像可知,小车运动的加速度为 (保留2位有效数字)m/s2.将图线延长与纵轴相交,交点的速度是 (保留3位有效数字)m/s,此速度的物理意义是 .,3.在竖直放置的立柱上端有一个电磁铁,通电时,小球被吸在电磁铁上,断电时
20、,小球自由下落,计时装置开始计时.立柱上有可以移动的光电门,如图所示.当小球经过光电门时,光电计时装置能测出小球从初始位置到这个光电门所用的时间t,再用刻度尺测出电磁铁到光电门的距离x. 为了探究自由落体的位移x与下落时间 t的关系.,1.2017柳州铁一中学期末 某同学利用图S1-14甲所示的实验装置,探究物块在水平桌面上的运动规律.物块在重物的牵引下开始运动,重物落地后,物块再运动一段距离停在桌面上(尚未到达滑轮处).从纸带上便于测量的点开始,每5个点取1个计数点,相邻计数点间的距离如图乙所示.打点计时器电源的频率为50 Hz.,图S1-14,(1)通过分析纸带数据,可判断物块在相邻计数点
21、 和 之间某时刻开始减速. (2)计数点5对应的速度大小为 m/s,计数点6对应的速度大小为 m/s.(保留三位有效数字) (3)物块减速运动过程中加速度的大小为a= (保留三位有效数字)m/s2.,2.2017杭州五校联考 (1)在做“探究小车速度随时间变化的规律”实验中,给你以下器材:电火花计时器、照明用交流电源(50 Hz)、低压学生电源、纸带、墨粉纸盘、小车、钩码、细绳、一端附有定滑轮的长木板.其中不需要的器材是 ,还需要增添的器材有 . (2)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共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,本图中没有
22、画出).他把一把毫米刻度尺放在纸带上,其零刻度线和计数点A对齐.(下述第、小题结果均保留两位有效数字),由如图S1-15所示数据计算打点计时器在打C点时,小车的瞬时速度vC= m/s. 计算小车的加速度a= m/s. 纸带上的A点所对应的小车的瞬时速度vA=m/s. 如果当时电网中交变电流的频率f=49 Hz,而做实验的同学并不知道,那么由此引起的系统误差将使加速度的测量值比实际值偏 (填“大”或“小”).,图S1-15,3.2017华中师大附中押题 用光电门和数字计时器测量 自由落体的重力加速度. (1)装置如图S1-16所示,过程如下: 按图将光电门A、B和电磁铁安装在支架上,调整它们的位
23、置 使三者在同一竖直线上.当电磁铁断电释放小球后,小球能顺利 通过两个光电门.,图S1-16,将数字计时器与光电门连接,再接通电磁铁电源吸住小球,开始 实验.切断电磁铁电源,小球落下.当小球经过光电门A,光路被切断瞬间,开始计时;当小球经过光电门B,光路被切断瞬间,停止计时.记录数字计时器显示的时间t. 用直尺测出从小球开始下落的位置到两个光电门中心的距离h1、h2. 由此计算重力加速度的表达式为g= (用含有t、h1、h2的表达式表示). (2)请写出一条能够减小本实验误差的方法,4.2017湖北松滋一中月考 某兴趣小组的同学们利用如图S1-17所示的装置研究匀变速直线运动的规律.他们将质量
24、为m1的物体1与质量为m2的物体2(m1m2)通过轻绳悬挂在定滑轮上,打点计时器固定在竖直方向上,物体1通过铁夹与纸带相连接.开始时物体1与物体2均处于静止状态,之后将它们同时由静止释放. 如图S1-18所示为实验中打点计时器打出的一条点迹清晰的纸带,O是打点计时器打下的第一个点,A、B、C、D是按打点先后顺序依次选取的计数点,在相邻两个计数点之间还有四个,图S1-17,点没有画出.打点计时器使用的交流电频率为50 Hz. (1)相邻两计数点之间的时间间隔为 ; (2)实验时要在接通打点计时器电源之 (选填“前”或“后”)释放物体; (3)将各计数点至O点的距离依次记为s1、s2、s3、s4测
25、得s2=1.60 cm,s4=6.40 cm,则打点计时器打下C点时物体的速度大小是 m/s;,图S1-18,(4)同学们根据测出的物体1上升高度s与相应的时间t,描绘出如图S1-19所示的s-t2图线,由此可以求出物体的加速度大小为 m/s2.,图S1-19,5.2017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S1-20(a)所示.实验时,保持桌面水平,用手轻推一下小车.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(b)记录了桌面上连续的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),图S
26、1-20,(1)由图(b)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(b)的数据判断出小车做匀变速运动.小车运动到图(b)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),6.2017成都三模 某同学在测定小车加速度的实验中,得到图S1-21甲所示的一条纸带,他在纸带上共取了A、B、C、D、E、F、G七个计数点,相邻的两个计数点之间还有四个点未画出,已知打点计时器的打点周期为0.02 s.该同学从每个计数点处将纸带剪开分成六条(分别标记为a、b、c、d、e、f),再将这六条纸带由短到长紧靠但不重叠地粘在坐标系中,得到图乙所示的图形,最后将 各纸带上端中心连起来,于是得到表示v-t关系的 图像,图中x轴对应的 物理量是时间t,y轴对应 的物理量是速度v.,图S1-21,(1)这种实验数据处理的方法可称为 (填选项字母代号). A.控制变量法 B.等效替代法 C.比值法 (2)图中t3= s,若测得纸带c的长度为4.0 cm,则v3= m/s.(结果均保留两位有效数字) (3)若测得纸带a的长度为2.0 cm,纸带f的长度为7.0 cm,则可求出加速度的大小为 (保留两位有效数字)m/s2.,
