1、第2节匀变速直线运动的实验探究学习目标1科学探究学会使用打点计时器2科学探究学会测定匀变速直线运动的加速度一、实验原理和方法1打点计时器(1)结构及特点电火花打点计时器电磁打点计时器结构图示工作电压220 V交流电46 V交流电打点方式周期性产生电火花振针周期性上下振动打点周期0.02 s0.02 s记录信息位移、时间(2)工作原理：纸带穿过打点计时器在物体带动下运动时，振针的上下振动便会通过复写纸在纸带上留下一系列小点，相邻两点对应的时间为0.02 s，相邻两点之间的距离可以用尺子测量，这样打点计时器既记录了时间，又记录了对应的位移2频闪照相法及其应用(1)频闪照相法：利用照相技术，每隔一定
2、时间曝光一次，从而形成间隔相同时间的影像的方法(2)频闪灯：每隔相等时间闪光一次，如每隔0.1 s闪光一次，即每秒闪光10次(3)频闪照片：利用频闪灯照明，照相机可以拍摄出运动物体每隔相等时间所到达的位置，通过这种方法拍摄的照片称为频闪照片(4)记录信息：物体运动的时间和位移3物体是否做匀变速直线运动的判断方法(1)利用平均速度v，当t很短时，可以近似认为平均速度等于t时刻的瞬时速度，利用速度和时间关系判断物体是否做匀变速直线运动(2)利用ss2s1s3s2snsn1aT2判断物体是否做匀变速直线运动二、实验器材打点计时器、纸带、复写纸、低压交流电源、小车、垫片、长木板、刻度尺、导线等三、实验
3、步骤1将打点计时器固定在长木板的一端，并用垫片垫高此端，使木板倾斜如图所示2连接好打点计时器的电路(注意此过程中要断开开关)3将纸带穿过打点计时器，连接在小车后面，并使小车靠近打点计时器4闭合电路开关，然后释放小车，打完纸带后立即关闭电源5更换纸带，重复操作三次6选择一条点迹最清晰的纸带，舍掉开头一些过于密集的点，找一适当的点作为开始点选择相隔0.1 s的若干个计数点进行长度测量，并将数据填入下面表格中计数点位置编号0123456时间t/s00.10.20.30.40.50.6相邻计数点间的距离s/m对应计数点的速度v/(ms1)四、数据处理1用逐差法求加速度以取六个间隔为例，则a1，a2，a
4、3加速度的平均值为a(a1a2a3)(s4s5s6)(s1s2s3)逐差法处理数据求加速度的平均值，好处是各个数据都得到了利用，达到正、负偶然误差充分抵消的作用，使计算结果更接近真实值2用v t图象求加速度(1)在三条纸带中选择一条最清晰的，舍掉开头一些比较密集的点迹，在后边便于测量的地方找一个开始点，为了测量方便和减小误差，通常选择相隔0.1 s的若干计数点进行测量，在选好的开始点下面标明0，在第六个点下面标1，在第11个点的下面标2，依此类推，每5个点下面计一个数，这些标数字的点叫作计数点如图所示，测出两相邻计数点的距离分别为s1、s2、s3填入下表位置间隔0112233445间隔距离s/
5、m(2)根据测量结果，再利用匀变速直线运动的瞬时速度的求解方法，即中间时刻的瞬时速度可以用这段时间内的平均速度来求解，也就是vn可求出打第n个计数点时纸带的瞬时速度，并将瞬时速度的值填入下表位置编号1234时间t/s速度v/(ms1)(3)作出速度时间图象在坐标纸上，以速度v为纵轴、时间t为横轴建立直角坐标系根据上表中的v、t数据，在直角坐标系中描点，如图所示，通过观察、思考，找出这些点的分布规律，然后根据这些点的分布趋向，用一条平滑的曲线(包括直线)连接这些点，并尽量让多数点落在曲线上(或直线上)，不在曲线(或直线)上的点应分布在曲线(或直线)两侧，且两侧的点数大致相同五、误差分析误差产生原
6、因减小方法偶然误差纸带上计数点间距离的测量v t图作出的并非一条直线多次测量求平均值大多数点在线上，不在线上的点尽可能均匀分布在直线两侧系统误差小车、纸带运动过程中有摩擦电源的不稳定性使用电火花打点计时器使用稳压电源六、注意事项1开始释放小车时，应使小车靠近打点计时器2应该是先接通电源，等打点稳定后，再释放小车3打点完毕，立即断开电源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选择一条点迹清晰的纸带，舍弃点密集部分，适当选取计数点，弄清楚时间间隔T6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7不要分段测量各段位移，应尽可能地一次测量完毕(可先统一量出各计数点到开始点之
7、间的距离)读数时应估读到毫米的下一位8要区分打点计时器打出的计时点和人为选取的计数点，一般在纸带上每隔4个点取一个计数点，即时间间隔为T0.02 s50.1 s9在坐标纸上画v t图象时，注意坐标轴单位长度的选取，应使图象尽量分布在较大的坐标平面内【例1】打点计时器是高中物理中重要的物理实验仪器，图中甲、乙两种打点计时器是高中物理实验中常用的，请回答下面的问题甲乙(1)甲图是_打点计时器，电源采用的是_(2)乙图是_打点计时器，电源采用的是_(3)某同学在“匀变速直线运动的实验探究”的实验中，用打点计时器在纸带上打的点记录小车的运动情况他做此实验时步骤如下：A拉住纸带，将小车移至靠近打点计时器
8、处，放开纸带，再接通电源B将打点计时器固定在长木板上，并接好电路C把一条绳拴在小车上，细绳跨过定滑轮，下面挂上适当的钩码D小车停止运动后，直接取下纸带E将纸带固定在小车尾部，并穿过打点计时器的限位孔F换上新纸带，重复操作三次，然后从各纸带中选取一条清晰的进行数据处理其中错误或遗漏的步骤有：_；_将以上步骤完善后按合理的顺序填写在下面横线上_解析：(1)甲图是电磁打点计时器，电源为46 V低压交流电(2)乙图是电火花打点计时器，所用电源为220 V交流电(3)实验过程中应先接通电源再放开纸带，取纸带前应先断开电源，所以错误操作是A、D步骤合理的顺序应是BECADF答案：见解析【例2】某同学利用图
9、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甲乙(1)通过分析纸带数据，可判断物块在两相邻计数点_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_m/s2解析：(1)由于计数点6之前相邻计数点之间距离之差约为2 cm，而计数点6、7之间的距离比计数点5、6之间的距离多1.27 cm，故可判
10、断物块在相邻计数点6和7之间某时刻开始减速(2)计数点5对应的速度v5 m/s1.00 m/s物块做加速运动时加速度大小a加 m/s22.00 m/s2v6v5a加T1.20 m/s(3)物块做减速运动时的加速度大小为a m/s22.00 m/s2答案：(1)67(或76)(2)1.001.20(3)2.00纸带的处理方法(1)分析纸带的重点是通过纸带能判断物体的运动性质，能求物体运动的瞬时速度和加速度(2)用逐差法求加速度时，若可利用的间隔数为偶数，可将计数点间隔平分成前后两组；若可利用的间隔数为奇数，可将居中的间隔舍去，再将计数点间隔平分成前后两组，计算时，还应注意公式的调整1(多选)运动
11、物体拉动穿过打点计时器的纸带，纸带上打下一系列小点，打点计时器打下的点直接记录了()A物体运动的时间B物体在不同时刻的位置C物体在不同时刻的速度D物体在不同时间内的位移AB因为打点计时器打点的时间间隔是已知的，只要数出纸带上所打点数就可知道物体运动的时间，打点计时器每打一个点与一个时刻对应因此，打点计时器直接记录了物体运动的时间和不同时刻所在的位置，选项A、B正确；如果物体做变速运动，只能求某段时间内的平均速度，不能求出不同时刻的瞬时速度；即使物体做匀速直线运动，各时刻的瞬时速度等于运动的平均速度，也只能通过测量距离再经计算获得其运动速度，而不能直接获得可见打出的点不能直接记录物体在不同时刻的
12、速度，故选项C错误；物体在不同时间内的位移，一方面要通过测量才能知道，另一方面每打两点需间隔一段时间，也不是任意一段时间内的位移都能测出的，所以打出的点也不能直接记录物体在不同时间内的位移，故选项D错误2(多选)在“匀变速直线运动的实验探究”中，为了减小测量小车运动加速度的相对误差，下列措施中哪些是有益的()A使小车运动的加速度尽量小一些B适当增加挂在细绳下的钩码的个数C在同样条件下，打出多条纸带，选其中一条最理想的进行测量和计算D舍去纸带上较密集的点，然后选取计数点，进行计算BCD牵引小车的钩码个数要适当，以免加速度过大使纸带上的点太少，或者加速度太小，而使纸带上的点太多，都会使误差增大，故
13、A错，B对；从多条纸带中选出点迹清晰的纸带，并舍去一些开始比较密集的点，便于测量和计算，故C、D都对3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是50 Hz的交流电源上，实验中得到一条纸带，如图所示他在纸带上便于测量的地方选取第1个计数点，在该点下标明A，第6个点下标明B，第11个点下标明C，第16个点下标明D，第21个点下标明E测量时发现B点已模糊不清，测得AC长为14.56 cm，CD长为11.15 cm，DE长为13.73 cm由以上数据可以算出：打点计时器打C点时小车的瞬时速度大小为_m/s，小车运动的加速度大小为_m/s2，AB间的距离应为_cm解析：由打点计时
14、器的频率知，相邻两计数点间的时间间隔T0.1 sC点的瞬时速度vC等于AE段的平均速度AE，即vCAE cm/s98.6 cm/s0.986 m/s，ssDEsCD2.58 cm2.58102 m，由saT2得小车运动的加速度大小a2.58 m/s2，由题意知sBCsAB14.56 cm，sBCsABs2.58 cm，解得sAB5.99 cm答案：0.9862.585.994在“探究匀变速直线运动”的实验中，用打点周期为0.02 s的计时器记录小车做匀变速直线运动的纸带如图所示，在纸带上选择0、1、2、3、4、5共6个计数点，相邻两计数点之间还有四个点未画出，纸带旁并排放着最小分度为毫米的刻度
15、尺，零刻度线跟“0”计数点对齐由图可以读出三个计数点1、3、5跟0点的距离d1、d2、d3(1)读出距离：d11.20 cm，d2_cm，d3_cm(2)计算小车通过计数点“2”的瞬时速度v2_ m/s(结果保留2位有效数字)(3)小车的加速度大小a_m/s2(结果保留2位有效数字)解析：(1)由毫米刻度尺的刻度可知d25.40 cm，d312.00 cm(2)小车通过计数点“2”的瞬时速度可用“1”“3”间的平均速度表示，则v20.21 m/s(3)小车通过计数点“4”的瞬时速度v40.33 m/s，则小车加速度大小a0.60 m/s2答案：(1)5.4012.00(2)0.21(3)0.6
16、05某同学利用打点计时器研究做匀加速直线运动的小车的运动情况，如图甲所示为该同学实验时打出的一条纸带中的部分计数点(后面计数点未画出)，相邻计数点间有4个点迹未画出(打点计时器每隔0.02 s打出一个点)(1)为研究小车的运动，此同学用剪刀沿虚线方向把纸带上OB、BD、DF等各段纸带剪下，将剪下的纸带一端对齐，按顺序贴好，并建立如图乙所示坐标，坐标中y轴的意义是_，简要说明怎样判断此小车是否做匀变速直线运动：_甲乙(2)在图甲中x17.05 cm、x27.68 cm、x38.31 cm、x48.94 cm、x59.57 cm、x610.20 cm小车运动的加速度大小是_m/s2(结果保留两位有
17、效数字)解析：(1)做匀变速直线运动的物体，在一段时间内，中间时刻的速度等于其平均速度，即v，第一段纸的长度记为x，则其平均速度表示对应中间时刻的瞬时速度，坐标y轴表示速度值即v，单位是102 m/s；图线是一条倾斜直线，说明物体做匀加速直线运动；(2)am/s20.63 m/s2答案：(1)速度看图线是否是一条直线，若是，则小车做匀变速直线运动，否则，小车做非匀变速直线运动(2)0.636在探究小车速度随时间变化规律的实验中，得到如图所示的一条记录小车运动情况的纸带，图中A、B、C、D、E为相邻的计数点，相邻计数点间的时间间隔T0.1 s(1)根据纸带计算各点瞬时速度，vD_ m/s，vC_
18、 m/s，vB_ m/s(2)在如图所示的坐标系中作出小车的vt图线，并根据图线求出a_(3)将图线延长与纵轴相交，交点的速度是_ m/s，此速度的物理意义是_解析：(1)根据v可知vD m/s3.90 m/svC m/s2.64 m/svB m/s1.38 m/s(2)作出vt图线如图所示根据图线斜率知a m/s212.60 m/s2(3)由图知：交点的速度为0.1 m/s，表示零时刻小车经过A点时的速度答案：(1)3.902.641.38(2)见解析图12.60 m/s2(3)0.1零时刻小车经过A点时的速度7如图甲所示，用打点计时器记录小车的运动情况小车开始在水平玻璃板上运动，后来在薄布
19、面上做减速运动所打出的纸带及相邻两点间的距离(单位：cm)如图乙所示，纸带上相邻两点间对应的时间间隔为0.02 s试用作图法(v t图象)求出小车在玻璃板上的运动速度甲乙解析：设对应点1、2、3、4、5的瞬时速度分别为v1、v2、v3、v4、v5，则有v1 cm/s75 cm/s0.75 m/s，v2 cm/s65 cm/s0.65 m/s，v3 cm/s55 cm/s0.55 m/s，v4 cm/s45 cm/s0.45 m/s，v5 cm/s35 cm/s0.35 m/s，以速度为纵坐标，以时间为横坐标建立直角坐标系用描点法作出小车在薄布上做减速运动时的v t图象将图象延长，使其与纵轴相交，如图所示由图象可知，小车做减速运动的初速度为0.85 m/s，即为小车在玻璃板上的运动速度答案：0.85 m/s
