研究勻變速直線運(yùn)動(dòng) 高中物理實(shí)驗(yàn)專題教學(xué)

必備知識(shí)

·

整合

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.練習(xí)正確使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器。2.會(huì)利用紙帶求勻變速直線運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度、加速度。3.會(huì)利用紙帶探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律,并能畫出小車運(yùn)動(dòng)的v-t圖像,

根據(jù)圖像求加速度。4.掌握判斷物體是否做勻變速直線運(yùn)動(dòng)的方法(Δx=aT2或v-t圖像)。二、實(shí)驗(yàn)器材電火花計(jì)時(shí)器(或電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器)、一端附有定滑輪的長(zhǎng)木板、小車、紙

帶、細(xì)繩、鉤碼、

刻度尺

、導(dǎo)線、電源、復(fù)寫紙片。三、實(shí)驗(yàn)原理1.打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(1)作用:計(jì)時(shí)儀器,當(dāng)所用交流電源的頻率f=50Hz時(shí),每隔

0.02

s打一次點(diǎn)。(2)電源電壓:電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,

6V以下

交流電源;電火花計(jì)時(shí)器,

220V

交流

電源。(3)處理紙帶數(shù)據(jù)時(shí)區(qū)分計(jì)時(shí)點(diǎn)和計(jì)數(shù)點(diǎn):計(jì)時(shí)點(diǎn)是指打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打

下的點(diǎn);計(jì)數(shù)點(diǎn)是指測(cè)量和計(jì)算時(shí)在紙帶上所選取的點(diǎn)。要注意“每5個(gè)計(jì)

時(shí)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)”與“每隔4個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)”取點(diǎn)方法是一樣

的,時(shí)間間隔均為0.1s。2.利用紙帶判斷物體運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的方法(1)沿直線運(yùn)動(dòng)的物體,若任意相等時(shí)間內(nèi)的位移相等,則物體做勻速直線運(yùn)動(dòng)。(2)a.沿直線運(yùn)動(dòng)的物體在連續(xù)相等時(shí)間內(nèi)的位移分別為x1,x2,x3,x4…若Δx=x2-x1=x3-x2=x4-x3=…且對(duì)任意時(shí)間間隔Δt均成立,則說明物體在做勻變速直線運(yùn)

動(dòng),且

Δx=a(Δt)2

。b.利用“平均速度法”確定多個(gè)點(diǎn)的瞬時(shí)速度,作出物體運(yùn)動(dòng)的v-t圖像,若圖

像是一條傾斜的直線,則物體做勻變速直線運(yùn)動(dòng)。注:對(duì)于一般的直線運(yùn)動(dòng),由于與中間點(diǎn)相鄰的兩點(diǎn)間的時(shí)間間隔很短,因此可以用該相鄰兩點(diǎn)間的平均速度表示該中間點(diǎn)的瞬時(shí)速度。3.由紙帶計(jì)算某點(diǎn)的瞬時(shí)速度(1)“中間點(diǎn)”的瞬時(shí)速度:所謂中間點(diǎn),是指該點(diǎn)兩側(cè)的數(shù)據(jù)是有效的,可以

用來計(jì)算這一段的平均速度,如圖甲中的第n個(gè)點(diǎn),第n個(gè)點(diǎn)的瞬時(shí)速度vn=

。

甲(2)“邊緣點(diǎn)”的瞬時(shí)速度:所謂“邊緣點(diǎn)”,是指該點(diǎn)的一側(cè)沒有可用的數(shù)

據(jù),或雖有數(shù)據(jù),但是數(shù)據(jù)無效,如圖乙中的A、F兩點(diǎn)?！斑吘夵c(diǎn)”的瞬時(shí)速度有以下幾種求法:a.先求出加速度,然后根據(jù)vB=vA+aT求出A點(diǎn)瞬時(shí)速度,根

據(jù)vF=vE+aT求出F點(diǎn)瞬時(shí)速度;b.根據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)在相等的時(shí)間內(nèi)速度的

變化量相等的特點(diǎn),利用vB-vA=vC-vB求出A點(diǎn)瞬時(shí)速度,利用vF-vE=vE-vD求出F點(diǎn)

的瞬時(shí)速度;c.根據(jù)xAB=

T求出A點(diǎn)瞬時(shí)速度,根據(jù)xEF=

T求出F點(diǎn)瞬時(shí)速度。

乙4.利用紙帶求物體加速度的兩種方法(1)逐差法a.若題目給的是偶數(shù)段數(shù)據(jù)(一般是6段),一般用“逐差法”求物體的加速度,

即a1=

,a2=

,a3=

,然后求平均值,即a=

=

,這樣所測(cè)數(shù)據(jù)全部得到利用,精確度較高。b.若題目給的是奇數(shù)段數(shù)據(jù)(一般是5段或7段),一般舍去較短一段,接著用如

同a偶數(shù)段的方法求解。(2)圖像法利用vn=

求出打各點(diǎn)時(shí)物體的瞬時(shí)速度,然后作出v-t圖像,用v-t圖像的斜率求物體運(yùn)動(dòng)的加速度。四、實(shí)驗(yàn)步驟1.把附有定滑輪的長(zhǎng)木板平放在實(shí)驗(yàn)桌上,并使滑輪伸出桌面,把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器

固定在長(zhǎng)木板上

沒有滑輪

的一端,連接好電路。2.把一條細(xì)繩拴在小車上,細(xì)繩跨過滑輪,并在繩的另一端掛上合適的鉤碼,把

紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,并把紙帶的一端固定在小車的后面,如圖所示。調(diào)整滑

輪的高度,使細(xì)繩與長(zhǎng)木板

平行

。3.把小車放在靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器處,先

接通電源

,后

放開小車,讓小車拖著紙帶

運(yùn)動(dòng),打點(diǎn)計(jì)時(shí)器就在紙帶上打下一系列的點(diǎn)。取下紙帶,換上新紙帶,重復(fù)

實(shí)驗(yàn)二次。4.從三條紙帶中選擇一條比較理想的紙帶,舍掉開始一些比較密集的點(diǎn),在后面便于測(cè)量的地方找一個(gè)開始點(diǎn),以后依次隔四個(gè)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn),確定好計(jì)數(shù)始點(diǎn),并標(biāo)明0、1、2、3、4、…,測(cè)量各計(jì)數(shù)點(diǎn)到0點(diǎn)的距離x,并記錄填入表中。5.計(jì)算出相鄰的計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的距離Δx1、Δx2、Δx3、…6.利用一段時(shí)間內(nèi)的平均速度等于這段時(shí)間中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度求得各計(jì)

數(shù)點(diǎn)1、2、3、4、5的瞬時(shí)速度,填入表格中。7.增減所掛鉤碼個(gè)數(shù),再做兩次實(shí)驗(yàn)。位置編號(hào)12345t/s

x/m

v/(m·s-1)

五、數(shù)據(jù)處理1.利用紙帶判斷物體是否做勻變速直線運(yùn)動(dòng)的方法(1)沿直線運(yùn)動(dòng)的物體在連續(xù)相等時(shí)間間隔的不同時(shí)刻的速度分別為v1、v2、

v3、v4、…,若v2-v1=v3-v2=v4-v3=…,則說明物體在相等時(shí)間內(nèi)速度的增量相等,

由此說明物體在做勻變速直線運(yùn)動(dòng),即a=

=

=

=…(2)沿直線運(yùn)動(dòng)的物體在連續(xù)相等時(shí)間T內(nèi)的位移分別為x1、x2、x3、x4、…,

若Δx=x2-x1=x3-x2=x4-x3=…,則說明物體在做勻變速直線運(yùn)動(dòng),且Δx=

aT2

。2.速度、加速度的求解方法(1)“平均速度法”求速度vn=

,如圖所示。

(2)“逐差法”求加速度a1=

,a2=

,a3=

,然后取平均值,

=

,這樣使所給數(shù)據(jù)全部得到利用,以提高準(zhǔn)確性。(3)“圖像法”求加速度由“平均速度法”求出多個(gè)點(diǎn)的速度,畫出v-t圖像,圖線的斜率即加速度。說明由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出v-t圖像要注意:根據(jù)表格中的v、t數(shù)據(jù),在平面直角坐標(biāo)系中仔細(xì)描點(diǎn),作出一條直線,使同一

次實(shí)驗(yàn)得到的各點(diǎn)盡量落到這條直線上,落不到直線上的點(diǎn)應(yīng)均勻分布在直

線的兩側(cè),誤差較大點(diǎn)舍去,這條直線就是本次實(shí)驗(yàn)得到的v-t圖線,它是一條

傾斜的直線,如圖所示。

六、誤差分析1.根據(jù)紙帶測(cè)量的位移有誤差。2.電源頻率不穩(wěn)定,造成相鄰兩點(diǎn)的時(shí)間間隔不完全相等。3.紙帶運(yùn)動(dòng)時(shí)打點(diǎn)不穩(wěn)定引起測(cè)量誤差。4.用作圖法,作出的v-t圖線有誤差。5.木板的粗糙程度并非完全相同,這樣測(cè)量得到的加速度只能是所測(cè)量段的

平均加速度?？键c(diǎn)一實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)操作關(guān)鍵能力

·

突破

1.在“探究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)中:(1)除打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(含紙帶、復(fù)寫紙)、小車、一端附有滑輪的長(zhǎng)木板、細(xì)

繩、鉤碼、導(dǎo)線及開關(guān)外,在下面的儀器和器材中,必須使用的有

(

)A.電壓合適的50Hz交流電源B.電壓可調(diào)的直流電源C.刻度尺

D.秒表E.天平(含砝碼)AC(2)實(shí)驗(yàn)過程中,下列做法正確的是

(

)A.先接通電源,再使紙帶運(yùn)動(dòng)B.先使紙帶運(yùn)動(dòng),再接通電源C.將接好紙帶的小車停在靠近滑輪處D.將接好紙帶的小車停在靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器處AD(3)通過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器得到的一條紙帶上的點(diǎn)跡不均勻,下列判斷正確的是

(

)A.點(diǎn)跡密集的地方說明振針打點(diǎn)速度較大B.點(diǎn)跡密集的地方說明小車運(yùn)動(dòng)的速度較大C.點(diǎn)跡不均勻說明小車做變速運(yùn)動(dòng)D.點(diǎn)跡不均勻說明相鄰兩點(diǎn)之間的時(shí)間間隔不同C(4)在實(shí)驗(yàn)中,某同學(xué)選出了一條清晰的紙帶,并取其中的A、B、C、D、E點(diǎn)

進(jìn)行研究,這5個(gè)點(diǎn)和刻度尺標(biāo)度的對(duì)應(yīng)如圖所示。則A、E兩點(diǎn)的時(shí)間間隔

和距離分別是

0.4

s、

0.0610

m。2.在“研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)中。(1)電火花計(jì)時(shí)器是使用

交流

(填“直流”或“交流”)電源的儀器,當(dāng)電

源頻率是50Hz時(shí)每隔

0.02

s打一次點(diǎn)。(2)根據(jù)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶,我們可以從紙帶上直接測(cè)得的物理量是

AB

。A.時(shí)間間隔

B.位移C.瞬時(shí)速度

D.平均速度(3)在“研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)中,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用的交流電源的頻率

為50Hz,記錄小車運(yùn)動(dòng)的紙帶如圖所示。

在紙帶上依次選擇6個(gè)實(shí)際點(diǎn)A、B、C、D、E、F,各相鄰兩點(diǎn)間的距離依次

是2.0cm、3.0cm、4.0cm、5.0cm、6.0cm。根據(jù)學(xué)過的知識(shí)可以求出打B點(diǎn)時(shí)小車的速度為vB=

1.25

m/s,C、E間的

平均速度為

2.25

m/s。解析(1)電火花計(jì)時(shí)器使用交流電源,當(dāng)電源頻率是50Hz時(shí)每隔0.02s打一

次點(diǎn)。(2)根據(jù)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶,可以從紙帶上直接測(cè)得的物理量是時(shí)間間隔

和位移,故選A、B;(3)打B點(diǎn)時(shí)小車的速度為vB=

=

m/s=1.25m/sC、E間的平均速度為vCE=

=

m/s=2.25m/s。通關(guān)錦囊注意事項(xiàng)(1)平行:紙帶和細(xì)繩要和木板平行。(2)兩先兩后:實(shí)驗(yàn)中應(yīng)先接通電源,后讓小車運(yùn)動(dòng);實(shí)驗(yàn)完畢應(yīng)先斷開電源,后

取下紙帶。(3)防止碰撞:在到達(dá)長(zhǎng)木板末端前應(yīng)讓小車停止運(yùn)動(dòng),要防止鉤碼落地和小

車與滑輪相撞。(4)紙帶選取:選擇一條點(diǎn)跡清晰的紙帶,舍棄點(diǎn)密集部分,適當(dāng)選取計(jì)數(shù)點(diǎn)。(5)準(zhǔn)確作圖:根據(jù)表格中的v、t數(shù)據(jù),在坐標(biāo)紙上縱、橫軸選取合適的單位及標(biāo)度仔細(xì)描

點(diǎn),作出一條直線,使同一次實(shí)驗(yàn)得到的各點(diǎn)盡量落到這條直線上,落不到直

線上的點(diǎn)應(yīng)均勻分布在直線的兩側(cè)。考點(diǎn)二實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和誤差分析1.在“探究小車速度隨時(shí)間變化規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)中:(1)電火花計(jì)時(shí)器正常工作時(shí),其打點(diǎn)的周期取決于

B

。A.交流電壓的高低

B.交流電的頻率C.墨粉紙盤的大小

D.紙帶的長(zhǎng)度(2)下列操作中正確的有

AC

。A.在釋放小車前,小車要靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器B.打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)放在長(zhǎng)木板的有滑輪一端C.應(yīng)先接通電源,后釋放小車D.電火花計(jì)時(shí)器應(yīng)使用低壓交流電源(3)如圖所示為同一打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在四條水平運(yùn)動(dòng)的紙帶上打出的點(diǎn),四條紙帶

的a、b間的間距相等,則a、b間的平均速度最小的是

D

。

(4)某同學(xué)用如圖(a)所示的裝置測(cè)定勻加速直線運(yùn)動(dòng)的加速度,打出的一條紙

帶如圖(b)所示,A、B、C、D、E為在紙帶上所選的計(jì)數(shù)點(diǎn),相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的

時(shí)間間隔為0.1s。圖(a)圖(b)①實(shí)驗(yàn)時(shí)紙帶的

左

(選填“左”或“右”)端是和小車相連的。②打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下C點(diǎn)時(shí)小車的速度大小為

0.3

m/s。③由紙帶所示數(shù)據(jù)可算出小車的加速度大小為

0.4

m/s2。2.[誤差分析]在做“研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)中:(1)實(shí)驗(yàn)室提供了以下器材:打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、一端附有滑輪的長(zhǎng)木板、小車、紙

帶、細(xì)繩、鉤碼、刻度尺、導(dǎo)線、交流電源、復(fù)寫紙、彈簧測(cè)力計(jì)。其中

在本實(shí)驗(yàn)中不需要的器材是

彈簧測(cè)力計(jì)

。(2)如圖甲所示是某同學(xué)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器得到的表示小車運(yùn)動(dòng)過程的一條清晰

紙帶,紙帶上兩相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有四個(gè)點(diǎn)沒有畫出,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)的時(shí)間間

隔T=0.02s,其中x1=7.05cm、x2=7.68cm、x3=8.33cm、x4=8.95cm、x5=9.61cm、x6=10.26cm。

甲表列出了打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下點(diǎn)B、C、F時(shí)小車的瞬時(shí)速度,請(qǐng)?jiān)诒碇刑钊氪螯c(diǎn)計(jì)時(shí)器打下D、E兩點(diǎn)時(shí)小車的瞬時(shí)速度。位置BCDEF速度/(m·s-1)0.7370.801

0.864

0.928

0.994(3)以A點(diǎn)為計(jì)時(shí)起點(diǎn),在坐標(biāo)圖乙中畫出小車的速度-時(shí)間圖線。

乙答案如圖所示

(4)根據(jù)所畫出的小車的速度-時(shí)間圖線計(jì)算出小車的加速度a=

0.625(0.61~0.63)

m/s2。(5)如果當(dāng)時(shí)電網(wǎng)中交變電流的頻率是f=49Hz,而做實(shí)驗(yàn)的同學(xué)并不知道,由

此引起的系統(tǒng)誤差將使加速度的測(cè)量值比實(shí)際值偏

大

(填“大”或

“小”)。解析(1)本實(shí)驗(yàn)中不需要測(cè)量力的大小,因此不需要的器材是彈簧測(cè)力計(jì)。(2)根據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度等于這段時(shí)間內(nèi)的平均速度可

得vD=

=

m/s=0.864m/s同理可得vE=0.928m/s。(3)根據(jù)數(shù)據(jù)描點(diǎn)連線,作出小車的速度-時(shí)間圖線,如圖所示。

(4)在v-t圖像中,圖線的斜率表示加速度,則a=

=

m/s2=0.625m/s2。(5)加速度a=

=Δx·f2,因?yàn)閷?shí)際頻率低于50Hz,而計(jì)算時(shí)代入的仍是50Hz,所以會(huì)造成測(cè)量值比真實(shí)值偏大。通關(guān)錦囊1.在進(jìn)行紙帶數(shù)據(jù)的計(jì)算時(shí),應(yīng)注意以下幾點(diǎn)(1)弄清紙帶中已知的是計(jì)時(shí)點(diǎn)還是計(jì)數(shù)點(diǎn),若是計(jì)數(shù)點(diǎn),則相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的

時(shí)間間隔是多少;(2)弄清題中已知的距離是相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離還是每個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)到第一個(gè)計(jì)

數(shù)點(diǎn)間的距離,若是后者應(yīng)換算成相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離再代入原理公式計(jì)算;(3)計(jì)算時(shí)注意將單位化為國(guó)際單位制中的單位;(4)注意題中要求保留幾位小數(shù)或有效數(shù)字。2.偶然誤差(1)紙帶上計(jì)數(shù)點(diǎn)間距測(cè)量有偶然誤差,故要多測(cè)幾組數(shù)據(jù),以盡量減小誤差。(2)用作圖法作圖時(shí)描點(diǎn)、畫線不準(zhǔn)確,為此在描點(diǎn)時(shí)最好用坐標(biāo)紙,在縱、

橫軸上選取合適的單位及標(biāo)度,用細(xì)鉛筆認(rèn)真描點(diǎn)。3.系統(tǒng)誤差(1)紙帶運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦不均勻,打點(diǎn)不穩(wěn)定引起誤差,所以安裝時(shí)紙帶、細(xì)繩要

與長(zhǎng)木板平行,同時(shí)選擇符合要求的交流電源的電壓及頻率。(2)木板的粗糙程度并非完全相同,這樣測(cè)量得到的加速度只能是所測(cè)量段的

平均加速度,對(duì)此可在木板上鋪一層白紙或換用氣墊導(dǎo)軌。考點(diǎn)三實(shí)驗(yàn)拓展和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新1.情景拓展ABCDE.頻閃照相法F.滴水法2.改進(jìn)獲取數(shù)據(jù)的方法(1)加速度的獲得:靠重物的拉力獲得加速度

長(zhǎng)木板傾斜靠重力獲得加速度。(2)速度的測(cè)量方法:由打點(diǎn)紙帶求速度

測(cè)定遮光片的寬度d和遮光片通過光電門的擋光時(shí)間Δt,由v=

求速度。(3)加速度的測(cè)量方法:由打點(diǎn)紙帶利用逐差法求加速度

利用經(jīng)過兩個(gè)光電門的瞬時(shí)速度,由速度位移關(guān)系式求加速度。例1

(2019課標(biāo)Ⅲ,22,5分)甲乙兩位同學(xué)設(shè)計(jì)了利用數(shù)碼相機(jī)的連拍功能測(cè)

重力加速度的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中,甲同學(xué)負(fù)責(zé)釋放金屬小球,乙同學(xué)負(fù)責(zé)在小球自

由下落的時(shí)候拍照。已知相機(jī)每間隔0.1s拍1幅照片。(1)若要從拍得的照片中獲取必要的信息,在此實(shí)驗(yàn)中還必須使用的器材是

A

。(填正確答案標(biāo)號(hào))A.米尺

B.秒表

C.光電門

D.天平(2)簡(jiǎn)述你選擇的器材在本實(shí)驗(yàn)中的使用方法。答:

將米尺豎直放置,使小球下落時(shí)盡量靠近米尺

。(3)實(shí)驗(yàn)中兩同學(xué)由連續(xù)3幅照片上小球的位置a、b和c得到ab=24.5cm、ac=58.7cm,則該地的重力加速度大小為g=

9.