1、实验一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图像,根据图像求加速度。4.掌握判断物体是否做匀变速直线运动的方法(x=aT2或v-t图像)。二、实验器材电火花计时器(或电磁打点计时器)、一端附有定滑轮的长木板、小车、纸带、细绳、钩码、刻度尺、导线、电源、复写纸片。三、实验原理1.打点计时器(1)作用:计时仪器,当所用交流电源的频率f=50Hz时,每隔0.02s打一次点。(2)电源电压:电磁打点计时器,6V以下交流电源;电火花计时器,220V交流电源。(3)处理
2、纸带数据时区分计时点和计数点:计时点是指打点计时器在纸带上打下的点;计数点是指测量和计算时在纸带上所选取的点。要注意“每5个计时点取一个计数点”与“每隔4个计时点取一个计数点”取点方法是一样的,时间间隔均为0.1s。2.利用纸带判断物体运动性质的方法(1)沿直线运动的物体,若任意相等时间内的位移相等,则物体做匀速直线运动。(2)a.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若x=x2-x1=x3-x2=x4-x3=且对任意时间间隔t均成立,则说明物体在做匀变速直线运动,且x=a(t)2。b.利用“平均速度法”确定多个点的瞬时速度,作出物体运动的v-t图像,若图像是一条倾
3、斜的直线,则物体做匀变速直线运动。注:对于一般的直线运动,由于与中间点相邻的两点间的时间间隔很短,因此可以用该相邻两点间的平均速度表示该中间点的瞬时速度。3.由纸带计算某点的瞬时速度(1)“中间点”的瞬时速度:所谓中间点,是指该点两侧的数据是有效的,可以用来计算这一段的平均速度,如图甲中的第n个点,第n个点的瞬时速度vn=xn+xn+12T。甲(2)“边缘点”的瞬时速度:所谓“边缘点”,是指该点的一侧没有可用的数据,或虽有数据,但是数据无效,如图乙中的A、F两点。“边缘点”的瞬时速度有以下几种求法:a.先求出加速度,然后根据vB=vA+aT求出A点瞬时速度,根据vF=vE+aT求出F点瞬时速度
4、;b.根据匀变速直线运动在相等的时间内速度的变化量相等的特点,利用vB-vA=vC-vB求出A点瞬时速度,利用vF-vE=vE-vD求出F点的瞬时速度;c.根据xAB=vA+vB2T求出A点瞬时速度,根据xEF=vE+vF2T求出F点瞬时速度。乙4.利用纸带求物体加速度的两种方法(1)逐差法a.若题目给的是偶数段数据(一般是6段),一般用“逐差法”求物体的加速度,即a1=x4-x13T2,a2=x5-x23T2,a3=x6-x33T2,然后求平均值,即a=a1+a2+a33=(x4+x5+x6)-(x1+x2+x3)9T2,这样所测数据全部得到利用,精确度较高。b.若题目给的是奇数段数据(一般
5、是5段或7段),一般舍去较短一段,接着用如同a偶数段的方法求解。(2)图像法利用vn=xn+1+xn2T求出打各点时物体的瞬时速度,然后作出v-t图像,用v-t图像的斜率求物体运动的加速度。四、实验步骤1.把附有定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.把一条细绳拴在小车上,细绳跨过滑轮,并在绳的另一端挂上合适的钩码,把纸带穿过打点计时器,并把纸带的一端固定在小车的后面,如图所示。调整滑轮的高度,使细绳与长木板平行。3.把小车放在靠近打点计时器处,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。取下
6、纸带,换上新纸带,重复实验二次。4.从三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,以后依次隔四个点取一个计数点,确定好计数始点,并标明0、1、2、3、4、,测量各计数点到0点的距离x,并记录填入表中。位置编号12345t/sx/mv/(ms-1)5.计算出相邻的计数点之间的距离x1、x2、x3、6.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、5的瞬时速度,填入表格中。7.增减所挂钩码个数,再做两次实验。五、数据处理1.利用纸带判断物体是否做匀变速直线运动的方法(1)沿直线运动的物体在连续相等时间间隔的不同时刻的速度分别为v1、v2、v3、v4、,若v2-v1=v3-v2=v4-v3=,则说明物体在相等时间内速度的增量相等,由此说明物体在做匀变速直线运动,即a=vt=v1t=v2t=(2)沿直线运动的物体在连续相等时间T内的位移分别为x1、x2、x3、x4、,若x=x2-x1=x3-x2=x4-x3=,则说明物体在做匀变速直线运动,且x=aT2。2.速度、加速度的求解方法(1)“平均速度法”求速度vn=xn+xn+12T,如图所示。(2)“逐差法”求加速度a1=x4-x13T2,a2=x5-x23T2,a3=x6-x33T2,然后取平均值,
