1、实验一 研究匀变速直线运动 【实验目的】1.练习正确使用打点计时器，学会利用打点纸带研究物体的运动。2.掌握判断物体是否做匀变速直线运动的方法 x=aT2。3.掌握使用速度时间图象求加速度的方法。4.掌握使用逐差法计算匀变速直线运动加速度的方法。【实验原理】1.打点计时器：(1)电磁打点计时器：6 V以下交流电源。(2)电火花计时器：220 V交流电源。(3)当所用交流电源的频率f=50 Hz时，每隔0.02 s打一次点。若交流电的频率变化，对应打点时间间隔也会发生变化。2.匀变速直线运动的判断：(1)若物体在连续相等时间T内的位移之差 x为一恒量，即 x=aT2，则物体做匀变速直线运动。(2
2、)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图象，若图象是一条倾斜的直线，则物体做匀变速直线运动。3.由纸带计算某点的瞬时速度：根据匀变速直线运动某段时间内的平均速度等于该段 时间中间时刻的瞬时速度 来计算。nn 1nxxv2T4.利用纸带求物体加速度的两种方法：(1)逐差法：根据x4-x1=x5-x2=x6-x3=3aT2(T为相邻计数点之间的时间间隔)，求出 然后取平均值，即 即为物体的加速度。52411222xxxxaa3T3T，6332xxa3T，123aaaa34561232xxxxxx9T，在数据处理时可以对纸带重新分段，把6段距离分为“前三”和“后三”，“后三”
3、减“前三”也为相邻相等时间间隔内的位移差，时间间隔为3T。(2)图象法：利用 求出打各点时纸带的瞬 时速度，然后作出v-t图象，用v-t图象的斜率求物体 运动的加速度。nn 1nxxv2T【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。【实验过程】1.仪器安装：(1)把一端附有滑轮的长木板放在 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，细绳跨过定滑轮，下边挂上合适的钩码，把纸带穿过打点计时器，并把它的一端固定在小车的后面。实验装置如图所示，放手后，看小车能否
4、在木板上平稳地加速滑行。2.测量与记录：(1)把小车停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，换上新纸带，再做两次。(2)从三条纸带中选择一条比较理想的，舍掉开头一些比较密集的点，从后边便于测量的点开始每5个点确定1个计数点，即计数点的时间间隔为T=0.1 s。正确使用毫米刻度尺测量每相邻两计数点间的距离，并填入设计的表格中。(3)利用某一段时间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的瞬时速度。(4)增减所挂钩码的个数，再重复实验两次。【数据处理】1.由实验数据得出v-t图象：(1)根据表格中的v、t数据，在直角坐标系中
5、仔细描点。(2)作一条直线，使同一次实验得到的各点尽量落到这条直线上，落不到直线上的各点应均匀分布在直线的两侧，这条直线就是本次实验的v-t图线，它是一条倾斜的直线，如图所示。2.由实验得出的v-t图象进一步得出小车运动的速度随 时间变化的规律：(1)直接分析图象的特点得出。小车 运动的v-t图象是一条倾斜的直线，如图所示，当时间增加相同的值 t时，速度也会增加相同的值 v，由此得出结论：小车的速度随时间均匀变化。(2)通过函数关系进一步得出。既然小车的v-t图象是一条倾斜的直线，那么v随t变化的函数关系式为v=kt+b，显然v与t成线性关系，小车的速度随时间均匀变化。3.对纸带进行分段，用
6、x=aT2计算加速度：若纸带上计数段为偶数，直接分为前后两段计算，若纸带计数段为奇数，可以舍掉首段进行计算。【误差分析】1.根据纸带测量的位移有误差。2.电源频率不稳定，造成相邻两点的时间间隔不完全相等。3.纸带运动时打点不稳定引起测量误差。4.用作图法，作出的v-t图象并不是一条直线。5.木板的粗糙程度并非完全相同，这样测量得到的加速度只能是所测量段的平均加速度。【注意事项】1.平行：纸带和细绳要和木板平行。2.两先两后：实验中应先接通电源，后让小车运动；实验完毕应先断开电源后取纸带。3.防止碰撞：在到达长木板末端前应让小车停止运动，要防止钩码落地和小车与滑轮相撞。4.纸带选取：选择一条点迹
7、清晰的纸带，舍弃点密集部分，适当选取计数点。5.区分计时点和计数点：计时点是指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个点取一个计数点”与“每隔4个点取一个计数点”取点方法是一样的，时间间隔均为0.1 s。6.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，应作一条直线，让各点尽量落到这条直线上，落不到直线上的各点应均匀分布在直线的两侧。热点一 教材原型实验 典例1 (2016天津高考)某同学利用图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
8、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(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)【解析】(1)选A、B。实验时，若细线与木板不平行，细线的拉力使小车运动过程中与木板间的压力改变造成摩擦力变化
9、，产生实验误差，选项A正确；实验时要先接通电源再释放小车，选项B正确；此实验是研究小车的匀变速直线运动，不平衡小车与长木板间的摩擦力和小车的质量不远大于钩码的质量时小车仍做匀变速直线运动，故选项C、D错误。(2)两点间的时间间隔T=0.1 s；由逐差法可得：=0.80 m/s2 在匀变速直线运动中，某段时间的平均速度等于其中间 6543212ssssssa9T2227.646.785.975.194.41 3.5910m/s9 0.1 （）时刻的瞬时速度，故 答案：(1)A、B(2)0.80 0.40 212ACB3.594.4110ssvvm/s0.40 m/s2T2 0.1【解题通法】测定
10、匀变速直线运动加速度的方法(1)图象法。先根据“平均速度”法求出各计数点的速 度 。作v-t图象，求出图象的斜率即物体的加速度。nn 1nxxv2T(2)利用位移差公式。xn+1-xn=aT2得 其中T为两计数点之间的 时间间隔。逐差法：若纸带上选出多个计数点，可用逐差法求 加速度 n 1n2xxaT，6543212xxxxxxa9T。热点二 创新拓展实验 题型1 实验原理创新 典例2 光电计时器也是一种研究物体运动情况的常用 计时仪器，其结构如图甲所示，a、b分别是光电门的 激光发射和接收装置，当有物体从a、b间通过时，光 电计时器就可以精确地把物体从开始挡光到挡光结束 的时间记录下来。图乙
11、中MN是水平桌面，Q是长木板与 桌面的接触点，1和2是固定在长木板适当位置的两个 光电门，与之连接的两个光电计时器没有画出，长木板顶端P点悬有一铅锤，实验时，让滑块从长木板的顶端滑下，光电门1、2各自连接的计时器显示的挡光时间分别为1.010-2 s和4.010-3 s。用精度为 0.05 mm的游标卡尺测量滑块的宽度d，其示数如图丙所示。(1)滑块的宽度d=_ cm。(2)滑块通过光电门1时的速度v1=_m/s，滑块通过光电门2时的速度v2=_m/s。(结果保留两位有效数字)(3)由此测得的瞬时速度v1和v2只是一个近似值，它们实质上是滑块通过光电门1和2时的_，要使瞬时速度的测量值更接近于
12、真实值，可将_的宽度减小一些。【创新点分析】(1)用光电门测滑块速度更准确。(2)用游标卡尺测量滑块的宽度。【解析】(1)d=10 mm+0.05 mm2=10.10 mm=1.010 cm。21212232d1.010 102 v m/s1.0 m/st1.0 10d1.010 10v m/s2.5 m/st4.0 10(3)v1、v2实质上是滑块通过光电门1和2时的平均速度，要使瞬时速度的测量值更接近于真实值，可将滑块的宽度减小一些。答案：(1)1.010(2)1.0 2.5(3)平均速度 滑块 题型2 实验装置改变 典例3 (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
13、 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。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)(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)【创新点分析】打点计时器打点变为滴水针头滴水，与现实生活联系更加密切，体现了学科核心素养。【解析】(1)轻推小车后，小
14、车在桌面上做减速运动，桌面上“水滴”的间距应逐渐减小，小车的运动方向是从右向左。(2)相邻两水滴的时间间隔为 小车运动到A 位置时速度大小为 m/s=0.187 5 m/s 0.19 m/s；302t s s453，332A117 13310 xxv22t23小车运动的加速度大小为 0.038 m/s2。答案：(1)从右向左(2)0.19 0.038 54212xxxxa6t题型3 实验原理、目的创新 典例4(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：如图甲，将光电门固定在斜面
15、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；当滑块上的挡光片经过光电门时，用光电计时器测得光线被挡光片遮住的时间 t；用 s表示挡光片沿运动方向的长度(如图乙所示)，表示滑块在挡光片遮住光线的 t时间内的平均速度 大小，求出 ；将另一挡光片换到滑块上，使滑块上的挡光片前端与 中位置相同，令滑块由静止开始下滑，重复步骤、；vv多次重复步骤；利用实验中得到的数据作出 -t图，如图丙所 示。v 完成下列填空：(1)用a表示滑块下滑的加速度大小，用vA表示挡光片前 端到达光电门时滑块的瞬时速度大小，则 与vA、a 和 t的关系式为 =_。(2)由图丙可求得vA=_cm/s，a=_cm/s2。(结 果保留3位有效数字)vv【创新点分析】(1)实验装置变化，滑块在斜面上做加 速运动，通过光电门测量时间。(2)实验目的变化，分析 与vA、a和 t的关系式。v【解析】(1)由题知挡光片沿运动方向的长度为s，则 s=t，据s=t=vAt+at2，可得 =vA+at。(2)将图丙直线延长与纵轴相交，可得vA=52.1 cm/s，a=2k=16.3 cm/s2。vv12v12答案：(1)vA+a t(2)52.1 16.3 12
