第4講-實驗探究勻變速直線運動-(原卷版)2024年高考一輪復(fù)習(xí)精細(xì)講義

第4講實驗探究勻變速直線運動——劃重點之精細(xì)講義系列一．實驗?zāi)康?．練習(xí)使用打點計時器，學(xué)會用打上點的紙帶研究物體的運動情況．2．會利用紙帶求勻變速直線運動的速度、加速度．3．利用打點紙帶探究小車速度隨時間變化的規(guī)律，并能畫出小車運動的v－t圖象，根據(jù)圖象求加速度．二．實驗原理1．打點計時器(1)作用：計時儀器，交流電頻率為50Hz時，每隔0.02s打一次點．(2)工作條件eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(電磁打點計時器：4V～6V交流電源,電火花計時器：220V交流電源))(3)紙帶上點的意義：①表示和紙帶相連的物體在不同時刻的位置．②通過研究紙帶上各點之間的距離，可以判斷物體的運動情況．③可以利用紙帶上打出的點來確定計數(shù)點間的時間間隔．2．利用紙帶判斷物體是否做勻變速直線運動的方法設(shè)x1、x2、x3、x4…為紙帶上相鄰兩個計數(shù)點之間的距離，假如Δx＝x2－x1＝x3－x2＝x4－x3＝…＝常數(shù)，即連續(xù)相等的時間間隔內(nèi)的位移之差為恒量，則與紙帶相連的物體做勻變速直線運動．3．由紙帶求物體運動速度的方法根據(jù)勻變速直線運動某段時間中間時刻的瞬時速度等于這段時間內(nèi)的平均速度vn＝(xn＋xn＋1)/2T.4．由紙帶求物體運動加速度的方法(1)逐差法：即根據(jù)x4－x1＝x5－x2＝x6－x3＝3aT2(T為相鄰兩計數(shù)點之間的時間間隔)，求出a1＝eq\f(x4－x1,3T2)，a2＝eq\f(x5－x2,3T2)，a3＝eq\f(x6－x3,3T2)，再算出a1、a2、a3的平均值a＝eq\f(a1＋a2＋a3,3)＝eq\f(x4＋x5＋x6－x1＋x2＋x3,9T2)，即為物體的加速度．(2)圖象法：求出打各個計數(shù)點時紙帶的瞬時速度，再作出v－t圖象，圖象的斜率即為物體做勻變速直線運動的加速度．三．實驗器材電火花計時器(或電磁打點計時器)，一端附有定滑輪的長木板、小車、紙帶、細(xì)繩、鉤碼、刻度尺、導(dǎo)線、電源、復(fù)寫紙片．四．實驗步驟1．儀器安裝(1)把附有滑輪的長木板放在實驗桌上，并使滑輪伸出桌面，把打點計時器固定在長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)繩跨過定滑輪，下邊掛上合適的鉤碼，把紙帶穿過打點計時器，并把它的一端固定在小車的后面．實驗裝置見下圖所示，放手后，看小車能否在木板上平穩(wěn)地加速滑行．2．測量與記錄(1)把小車停在靠近打點計時器處，先接通電源，后放開小車，讓小車拖著紙帶運動，打點計時器就在紙帶上打下一系列的點，換上新紙帶，重復(fù)三次．(2)從三條紙帶中選擇一條比較理想的，舍掉開頭一些比較密集的點，從后邊便于測量的點開始確定計數(shù)點，為了計算方便和減小誤差，通常用連續(xù)打點五次的時間作為時間單位，即T＝0.1s．正確使用毫米刻度尺測量每相鄰兩計數(shù)點間的距離，并填入設(shè)計的表格中．(3)利用某一段時間的平均速度等于這段時間中間時刻的瞬時速度求得各計數(shù)點的瞬時速度．(4)增減所掛鉤碼數(shù)，再重復(fù)實驗兩次．五．?dāng)?shù)據(jù)處理及實驗結(jié)論1．由實驗數(shù)據(jù)得出v－t圖象(1)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，如右圖所示可以看到，對于每次實驗，描出的幾個點都大致落在一條直線上．(2)作一條直線，使同一次實驗得到的各點盡量落到這條直線上，落不到直線上的點，應(yīng)均勻分布在直線的兩側(cè)，這條直線就是本次實驗的v－t圖象，它是一條傾斜的直線．2.由實驗得出的v－t圖象進一步得出小車運動的速度隨時間變化的規(guī)律，有兩條途徑進行分析(1)分析圖象的特點得出：小車運動的v－t圖象是一條傾斜的直線，如圖所示，當(dāng)時間增加相同的值Δt時，速度也會增加相同的值Δv，由此得出結(jié)論：小車的速度隨時間均勻變化．(2)通過函數(shù)關(guān)系進一步得出：既然小車的v－t圖象是一條傾斜的直線，那么v隨t變化的函數(shù)關(guān)系式為v＝kt＋b，顯然v與t成“線性關(guān)系”，小車的速度隨時間均勻變化．①注意事項1．平行：紙帶、細(xì)繩要和木板平行．2．兩先兩后：實驗中應(yīng)先接通電源，后讓小車運動；實驗完畢應(yīng)先斷開電源，后取紙帶．3．防止碰撞：在到達(dá)長木板末端前應(yīng)讓小車停止運動，防止鉤碼落地和小車與滑輪相撞．4．減小誤差：小車的加速度宜適當(dāng)大些，可以減小長度的測量誤差，加速度大小以能在約50cm的紙帶上清楚地取出6～7個計數(shù)點為宜．5．作出速度—時間圖象，通過圖象的斜率求解物體的加速度．6．剪下相鄰計數(shù)點的紙帶緊排在一起求解加速度．②誤差分析1．小車運動時摩擦不均勻，打點不穩(wěn)定引起的系統(tǒng)誤差．2．紙帶上計數(shù)點間距測量以及作v－t圖象引起的偶然誤差．考點一實驗原理及操作【典例1】在“研究勻變速直線運動”的實驗中，某同學(xué)的操作中有以下實驗步驟，其中錯誤或遺漏的步驟有________________________________________________________________________________________________________________________________________________.(指出錯誤并改正，遺漏步驟可編上序號G、H、…)A．拉住紙帶，將小車移至靠近打點計時器處，先放開紙帶，再接通電源B．將打點計時器固定在平板上，并接好電源C．把一條細(xì)繩拴在小車上，細(xì)繩跨過滑輪，下面吊著適當(dāng)重的鉤碼D．取下紙帶E．將平板無滑輪的一端抬高，輕推小車，使小車能在平板上做勻速運動F．將紙帶固定在小車尾部，并穿過打點計時器的限位孔將以上步驟完善后按合理順序填寫在橫線上________．考點二實驗數(shù)據(jù)處理【典例2】實驗中，如圖所示為一次記錄小車運動情況的紙帶，圖中A、B、C、D、E為相鄰的計數(shù)點，相鄰計數(shù)點間的時間間隔T＝0.1s.(1)根據(jù)紙帶可判定小車做____________________運動．(2)根據(jù)紙帶計算各點瞬時速度：vD＝________m/s，vC＝________m/s，vB＝________m/s.在如圖所示坐標(biāo)中作出小車的v－t圖線，并根據(jù)圖線求出紙帶的加速度a＝________.(3)將圖線延長與縱軸相交，交點的速度是________m/s，此速度的物理意義是______________________________．考點三實驗改進拓展創(chuàng)新高考實驗題一般源于教材而不拘泥于教材，即所謂情境新而知識舊．因此做實驗題應(yīng)注重遷移創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，用教材中實驗的原理、方法和技巧處理新問題．1．實驗器材的改進↓↓由遮光片的寬度d和遮光片擋光時間Δt求速度v＝eq\f(d,Δt)由紙帶求速度2．獲得加速度方法的改進長木板傾斜靠重力獲得加速度，如圖甲、乙所示eq\o(→,\s\up16(替代))靠重物的拉力獲得加速度．【典例3】某同學(xué)用圖(a)所示的實驗裝置測量物塊與斜面之間的動摩擦因數(shù)．已知打點計時器所用電源的頻率為50Hz，物塊下滑過程中所得到的紙帶的一部分如圖(b)所示，圖中標(biāo)出了五個連續(xù)點之間的距離．(1)物塊下滑時的加速度a＝________m/s2，打C點時物塊的速度v＝________m/s；(2)已知重力加速度大小為g，為求出動摩擦因數(shù)，還必須測量的物理量是________(填正確答案標(biāo)號)．A．物塊的質(zhì)量B．斜面的高度C．斜面的傾角【典例4】光電計時器也是一種研究物體運動情況的常用計時儀器，其結(jié)構(gòu)如圖甲所示，a、b分別是光電門的激光發(fā)射和接收裝置，當(dāng)有物體從a、b間通過時，光電計時器就可以精確地把物體從開始擋光到擋光結(jié)束的時間記錄下來．現(xiàn)利用圖乙所示的裝置測量滑塊和長木板間的動摩擦因數(shù)，圖中MN是水平桌面，Q是長木板與桌面的接觸點，1和2是固定在長木板適當(dāng)位置的兩個光電門，與之連接的兩個光電計時器沒有畫出，長木板頂端P點懸有一鉛錘．實驗時，讓滑塊從長木板的頂端滑下，光電門1、2各自連接的計時器顯示的擋光時間分別為1.0×10－2s和4.0×10－3s．用精度為0.05mm的游標(biāo)卡尺測量滑塊的寬度d，其示數(shù)如圖丙所示．(1)滑塊的寬度d＝________cm.(2)滑塊通過光電門1時的速度v1＝________m/s，滑塊通過光電門2時的速度v2＝________m/s.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)(3)由此測得的瞬時速度v1和v2只是一個近似值，它們實質(zhì)上是通過光電門1和2時的________，要使瞬時速度的測量值更接近于真實值，可將________的寬度減小一些．【典例5】研究小車勻變速直線運動的實驗裝置如圖甲所示，其中斜面傾角θ可調(diào)．打點計時器的工作頻率為50Hz.紙帶上計數(shù)點的間距如圖乙所示，其中每相鄰兩點之間還有4個記時點未畫出．(1)部分實驗步驟如下：A．測量完畢，關(guān)閉電源，取出紙帶B．接通電源，待打點計時器工作穩(wěn)定后放開小車C．將小車停靠在打點計時器附近，小車尾部與紙帶相連D．把打點計時器固定在平板上，讓紙帶穿過限位孔上述實驗步驟的正確順序是：________(用字母填寫)．(2)圖乙中標(biāo)出的相鄰兩計數(shù)點的時間間隔T＝________s.(3)計數(shù)點5對應(yīng)的瞬時速度大小計算式為v5＝________.(4)為了充分利用記錄數(shù)據(jù)，減小誤差，小車加速度大小的計算式應(yīng)為a＝________.一、實驗題1．在暗室中用如圖（甲）所示裝置做“測定重力加速度”的實驗。實驗器材有：支架、漏斗、橡皮管、尖嘴玻璃管、螺絲夾子、鋁盒、一根熒光刻度的米尺、頻閃儀。具體實驗步驟如下：①在漏斗內(nèi)盛滿清水，旋松螺絲夾子，水滴會以一定的頻率f1②用頻閃儀發(fā)出的白閃光將水滴流照亮，由大到小逐漸調(diào)節(jié)頻閃儀的閃光頻率f2③用豎直放置的米尺測得各個水滴所對應(yīng)的刻度；④采集數(shù)據(jù)進行處理。（1）實驗中第一次看到空間有一串仿佛固定不動的水滴時，頻閃儀的閃光頻率滿足的條件是___________。（2）實驗中觀察到水滴“固定不動”時的閃光頻率為30Hz，某同學(xué)讀出其中比較遠(yuǎn)的水滴到第一個水滴的距離如圖（乙）所示，根據(jù)數(shù)據(jù)測得當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭=___________m/s2；第8個水滴此時的速度v（3）該實驗存在造成系統(tǒng)誤差的原因可能有（答出一條即可）：___________。2．某物理小組利用圖甲所示的裝置測當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭，在鐵架臺上安裝兩個光電門，光電門1固定，光電門2可上下移動。將電磁鐵通電，小鐵球靜止在電磁鐵下端，調(diào)整兩光電門的位置，讓電磁鐵斷電后，小球沿豎直線通過兩個光電門，光電計時器能記錄小鐵球從光電門1運動至光電門2的時間t。（1）用游標(biāo)卡尺測量小鐵球的直徑，測量結(jié)果如圖乙所示，則小鐵球的直徑D=___________cm；（2）使小鐵球由靜止下落，用鐵架臺上的固定刻度尺測出兩個光電門之間的距離h，及對應(yīng)的運動時間t。保證光電門1的位置不變，多次改變光電門2的高度，并測出多組h和t，以?t為縱坐標(biāo)，以t為橫坐標(biāo)，作出?t-t的關(guān)系圖線如圖丙，不考慮小鐵球直徑對實驗的影響，則縱截距的含義是___________；當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊臏y量值g=___________m/s（3）如果考慮空氣阻力對實驗的影響，則重力加速度的測量值與真實值相比___________（填“偏小”“相等”或“偏大”）。3．如圖甲所示是運用DIS實驗的位移傳感器測定小車運動規(guī)律的實驗裝置圖。（1）固定在小車上的發(fā)射器不斷地向接收器發(fā)出短暫的超聲波脈沖和紅外線脈沖，從而測量物體運動的一些物理量。超聲波脈沖_____紅外線脈沖（填“快于”或“慢于”）。（2）圖乙是通過傳感器、數(shù)據(jù)采集器，再經(jīng)過計算機所繪制的小車運動的速度?時間圖像。由該圖像可以求出小車加速度的大小為a＝________m/s2；小車的運動方向是________（選填“向左”或“向右”）運動。4．某同學(xué)利用圖示裝置研究小車的勻變速直線運動。（1）實驗中，必要的措施是___________。A．先釋放小車再接通電源B．先接通電源再釋放小車C．將小車放在靠近打點計時器的一端D．將小車放在遠(yuǎn)離打點計時器的一端（2）他實驗時將打點計時器接到頻率為100Hz的電源上，得到一條紙帶，打出的部分計數(shù)點如下圖所示（每相鄰兩個計數(shù)點間還有9個點，圖中未畫出）。

s1=3.59cm，s2=4.41cm，s3=5.19cm，s4=5.97cm，5．研究物體做勻變速直線運動的情況可以用打點計時器，也可以用光電門傳感器。一組同學(xué)用如圖所示裝置研究勻變速直線運動。滑塊放置在水平氣墊導(dǎo)軌的右側(cè)，并通過跨過定滑輪的細(xì)線與一沙桶相連，滑塊與定滑輪間的細(xì)線與氣墊導(dǎo)軌平行?；瑝K上安裝了寬度為3.0cm的遮光條，將滑塊由靜止釋放，先后通過兩個光電門，配套的數(shù)字計時器記錄了遮光條通過第一個光電門的時間為0.015s，通過第二個光電門的時間為0.010s，遮光條從開始遮住第一個光電門到開始遮住第二個光電門的時間為0.250s。則滑塊的加速度大小為___________m/s2，若忽略偶然誤差的影響，測量值與真實值相比___________（選填“偏大”“偏小”或“相同”）。6．某一學(xué)習(xí)小組的同學(xué)想通過打點計時器在紙帶上打出的點跡來探究小車速度隨時間變化的規(guī)律，實驗裝置如圖所示。（1）常見的打點計時器使用的是________電源（“直流”或“交流”）；（2）關(guān)于本實驗，下列說法正確的是________；A．釋放紙帶的同時，按通電源B．先接通電源打點，后釋放紙帶運動C．先釋放紙帶運動，后接通電源打點D．紙帶上的點跡越密集，說明紙帶運動的速度越小（3）該小組在規(guī)范操作下得到一條點跡清晰的紙帶如圖所示，在紙帶上依次選出7個計數(shù)點，分別標(biāo)上O、A、B、C、D、E和F，每相鄰的兩個計數(shù)點間還有四個點未畫出，打點計時器所用電源的頻率是50Hz。①如果測得C、D兩點間距x4=2.70cm，D、E兩點間距x5=2.90②該同學(xué)分別算出其他各點的速度：vA=0.220m/s，vB=0.2417．（1）電磁打點計時器使用的電源是__________（填“交流8V”或“交流220V”）電源，電源頻率為50Hz時，如果每相鄰的計數(shù)點間還有4個點未標(biāo)出，則相鄰兩個計數(shù)點的時間間隔為__________s。（2）在“練習(xí)使用打點計時器”的實驗中，某同學(xué)選出了一條清晰的紙帶，并取其中的A、B、C…五個點進行研究，這五個點和刻度尺標(biāo)度對應(yīng)的位置如圖所示?？汕蟪鯝、C間的距離為__________cm。（3）在“探究小車速度隨時間變化規(guī)律”的實驗中：（a）下列操作中正確的有__________；A．在釋放小車前，小車要靠近打點計時器B．打點計時器應(yīng)放在長木板的有滑輪一端C．應(yīng)先接通電源，后釋放小車D．電火花計時器應(yīng)使用低壓交流電源（b）某同學(xué)用如圖（a）所示的裝置測定勻加速直線運動的加速度，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數(shù)點，相鄰計數(shù)點間的時間間隔為0.1s：Ⅰ．打點計時器打下C點時小車的速度大小為__________m/s；Ⅱ．由紙帶所示數(shù)據(jù)可算出小車的加速度大小為__________m/s8．小華同學(xué)在“研究勻變速直線運動”的實驗中，將打點計時器固定在某處，在繩子拉力的作用下小車拖著穿過打點計時器的紙帶在水平木板上運動，如圖1所示。由打點計時器得到表示小車運動過程的一條清晰紙帶的一段。如圖2所示，在打點計時器打出的紙帶上確定出八個計數(shù)點，相鄰兩個計數(shù)點之間的時間間隔為0.1s，并用刻度尺測出了各計數(shù)點到0計數(shù)點的距離，圖中所標(biāo)數(shù)據(jù)的單位是cm。（1）小華利用家庭電源來做實驗，因此應(yīng)該選擇___________打點計時器，工作電壓為___________。（2）根據(jù)紙帶提供的信息，小華同學(xué)已經(jīng)計算出了打下1、2、3、4、5這五個計數(shù)點時小車的速度、請你幫助他計算出打下計數(shù)點6時小車的速度（結(jié)果保留3位有效數(shù)字）并填入下表___________。計數(shù)點123456t/s0.10.20.30.40.50.6v/(m·s-1)0.3580.4000.4400.4850.530（3）根據(jù)v-t圖像可知，小車運動的加速度為___________m/s2（保留2位有效數(shù)字）。9．某同學(xué)按如圖所示裝置做“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”的實驗。（1）釋放小車時，實驗裝置如圖甲所示，指出該裝置或操作中錯誤的有______。A．電磁打點計時器接在直流電源上了B．應(yīng)先接通電源，待打點穩(wěn)定后再釋放小車C．小車離打點計時器過遠(yuǎn)（2）如圖乙為改正裝置后打下的一條紙帶的中間部分，A、B、C、D為其中連續(xù)打出的四個點（已知打點計時器打點時間間隔T=0.02?s）。由于操作不慎，C點模糊了，小明仍用此紙帶來研究。從圖上可以讀得A點在刻度尺上位置的讀數(shù)為_______cm，在打下C10．某探究小組同學(xué)為了研究小車在桌面上的直線運動，用自制“滴水計時器”計量時間。實驗前，將該計時器固定在小車旁，如圖（a）所示。實驗時，保持桌面水平，用手輕推一下小車。在小車運動過程中，滴水計時器滴下小水滴的時間間隔相等，圖（b）記錄了桌面上連續(xù)的6