第一章 实验一docxWord格式.docx
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小车的加速度宜适当大些,可以减小长度的测量误差,加速度大小以能在约50cm的纸带上清楚地取出6~7个计数点为宜.
(5)小车从靠近打点计时器位置释放.
1.数据处理
(1)目的
通过纸带求解运动的加速度和瞬时速度,确定物体的运动性质等.
(2)方法
①分析物体的运动性质——测量相邻计数点间的距离,计算相邻计数点距离之差,看其是否为常数,从而确定物体的运动性质.
②利用逐差法求解平均加速度
a1=
,a2=
,a3=
⇒a=
=
③利用平均速度求瞬时速度:
vn=
④利用速度—时间图象求加速度
a.作出速度—时间图象,通过图象的斜率求解物体的加速度;
b.剪下相邻计数点的纸带紧排在一起求解加速度.
2.依据纸带判断物体是否做匀变速直线运动
(1)s1、s2、s3…sn是相邻两计数点间的距离.
(2)Δs是两个连续相等的时间里的位移差:
Δs1=s2-s1,Δs2=s3-s2….
(3)T是相邻两计数点间的时间间隔:
T=0.02n(打点计时器的频率为50Hz,n为两计数点间计时点的间隔数).
(4)Δs=aT2,只要小车做匀变速直线运动,它在任意两个连续相等的时间间隔内的位移之差就一定相等.
命题点一 教材原型实验
例1 (2017·
全国卷Ⅰ·
22)某探究小组为了研究小车在桌面上的直线运动,用自制“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2(a)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(b)记录了桌面上连续6个水滴的位置.(已知滴水计时器每30s内共滴下46个小水滴)
图2
(1)由图(b)可知,小车在桌面上是________(填“从右向左”或“从左向右”)运动的.
(2)该小组同学根据图(b)的数据判断出小车做匀变速运动.小车运动到图(b)中A点位置时的速度大小为________m/s,加速度大小为________m/s2.(结果均保留两位有效数字)
答案
(1)从右向左
(2)0.19 0.038
解析
(1)小车在阻力的作用下,做减速运动,由题图(b)知,从右向左相邻水滴间的距离逐渐减小,所以小车在桌面上是从右向左运动.
(2)已知滴水计时器每30s内共滴下46个小水滴,所以相邻两水滴间的时间间隔为T=
s=
s,所以A点位置的速度为vA=
m/s≈0.19m/s.根据逐差法可得加速度a=
,解得a≈-0.038m/s2,故加速度的大小为0.038m/s2.
变式1 (2018·
江西省六校第五次联考)在“研究匀变速直线运动”的实验中,某同学选出了一条清晰的纸带,并取其中的A、B、C、D、E、F、G七个点进行研究,这七个点和刻度尺标度的对照情况如图3所示.(打点计时器的频率为50Hz)
图3
(1)由图可以知道,A、B两点的时间间隔是________s,A点到D点的距离是________cm,D点到G点的距离是________cm;
(小数点后保留2位)
(2)通过测量不难发现,(sBC-sAB)与(sCD-sBC)、(sDE-sCD)、…基本相等.这表明,在实验误差允许的范围之内,拖动纸带的小车做的是________________运动;
(3)经过合理的数据处理后,可以求得加速度a=______m/s2;
(小数点后保留3位)
(4)还可以求出,打B点时小车的瞬时速度vB=______m/s.(小数点后保留3位)
答案
(1)0.10 4.13(4.10~4.16均可) 6.48(6.45~6.51均可)
(2)匀加速(或匀变速)直线 (3)0.261(0.254~0.268)
(4)0.126(0.121~0.131)
解析
(1)由题图可以知道,A、B两点的时间间隔是0.10s,A点到D点的距离是4.13cm,D点到G点的距离是6.48cm;
(2)通过测量不难发现,(sBC-sAB)与(sCD-sBC)、(sDE-sCD)、…基本相等.这表明,在实验误差允许的范围之内,拖动纸带的小车做的是匀加速直线运动.
(3)设A到B之间的距离为s1,以后各段分别为s2、s3、s4、s5、s6,根据匀变速直线运动的推论公式Δs=aT2可得:
s4-s1=3a1T2,s5-s2=3a2T2,s6-s3=3a3T2,联立可得a=
,解得a≈0.261m/s2;
(4)根据匀变速直线运动中时间中点的速度等于该过程中的平均速度有vB=
≈0.126m/s.
变式2 (2018·
北京理综·
21)用图4所示的实验装置研究小车速度随时间变化的规律.
图4
主要实验步骤如下:
a.安装好实验器材,接通电源后,让拖着纸带的小车沿长木板运动,重复几次.
b.选出一条点迹清晰的纸带,找一个合适的点当作计时起点O(t=0),然后每隔相同的时间间隔T选取一个计数点,如图5中A、B、C、D、E、F……所示.
图5
c.通过测量、计算可以得到在打A、B、C、D、E……点时小车的速度,分别记作v1、v2、v3、v4、v5……
d.以速度v为纵轴、时间t为横轴建立直角坐标系,在坐标纸上描点,如图6所示.
图6
结合上述实验步骤,请你完成下列任务:
(1)在下列仪器和器材中,还需要使用的有________和________(填选项前的字母).
A.电压合适的50Hz交流电源
B.电压可调的直流电源
C.刻度尺
D.秒表
E.天平(含砝码)
(2)在图象中已标出计数点A、B、D、E对应的坐标点,请在该图中标出计数点C对应的坐标点,并画出v-t图象.
(3)观察v-t图象,可以判断小车做匀变速直线运动,其依据是________________.v-t图象斜率的物理意义是__________________.
(4)描绘v-t图象前,还不知道小车是否做匀变速直线运动.用平均速度
表示各计数点的瞬时速度,从理论上讲,对Δt的要求是________(选填“越小越好”或“与大小无关”);
从实验的角度看,选取的Δx大小与速度测量的误差________(选填“有关”或“无关”).
(5)早在16世纪末,伽利略就猜想落体运动的速度应该是均匀变化的.当时只能靠滴水计时,为此他设计了如图7所示的“斜面实验”,反复做了上百次,验证了他的猜想.请你结合匀变速直线运动的知识,分析说明如何利用伽利略“斜面实验”检验小球的速度是随时间均匀变化的.
图7
答案
(1)A C
(2)如图所示
(3)小车的速度随时间均匀变化 加速度 (4)越小越好
有关 (5)如果小球的初速度为0,其速度v∝t,那么它通过的位移x∝t2.因此,只要测量小球通过不同位移所用的时间,就可以检验小球的速度是否随时间均匀变化.
解析
(1)打点计时器使用的是交流电源,故选A,不选B;
相邻打点间的时间是已知的,故不选D;
计数点间的距离需要用刻度尺测量,故选C;
由于不需要知道小车和重物的质量,故不需要天平(含砝码),故不选E.
(2)连线时要让尽量多的点在一条直线上.
(3)可以依据v-t图象是倾斜的直线(斜率一定),即小车的速度随时间均匀变化,判断出小车做匀变速直线运动;
v-t图象的斜率表示加速度.
(4)严格地讲,
表示的是Δt内的平均速度,只有当Δt趋近于0时,
才表示瞬时速度,因此若用
表示各计数点的瞬时速度,对Δt的要求是越小越好;
从实验的角度看,选取的Δx越小,用
计算得到的平均速度越接近计数点的瞬时速度,但Δx过小,测量误差增大,因此选取的Δx大小与速度测量的误差有关.
(5)如果小球的初速度为0,其速度v∝t,那么它通过的位移x=
t,故推出x∝t2.因此,只要测量小球通过不同位移所用的时间,就可以检验小球的速度是否随时间均匀变化.
命题点二 实验拓展创新
1.复习启示
高考实验题一般源于教材而不拘泥于教材,是在教材实验的基础上创设新情景.因此,要在夯实实验的基础上注意迁移和创新能力的培养,善于用教材中实验的原理、方法和技巧处理新问题.
2.情景拓展
3.数据处理
(1)加速度的获得:
靠重物的拉力获得加速度→长木板倾斜靠重力获得加速度.
(2)速度的测量方法:
由打点纸带求速度→测定遮光片的宽度d和遮光片通过光电门的挡光时间Δt,由v=
求速度.
(3)加速度的测量方法:
由打点纸带利用逐差法求加速度→利用经过两个光电门的瞬时速度,由速度位移关系式求加速度.
类型1 实验情景创新
例2 (2017·
全国卷Ⅱ·
22)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.
图8
实验步骤如下:
①如图8(a),将光电门固定在斜面下端附近,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;
②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Δt;
③用Δs表示挡光片沿运动方向的长度[如图(b)所示],
表示滑块在挡光片遮住光线的Δt时间内的平均速度大小,求出
;
④将另一挡光片换到滑块上,使滑块上的挡光片前端与①中的位置相同,令滑块由静止开始下滑,重复步骤②、③;
⑤多次重复步骤④;
⑥利用实验中得到的数据作出v-Δt图,如图(c)所示.
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Δt的关系式为
=________.
(2)由图(c)可求得vA=______cm/s,a=______cm/s2.(结果保留3位有效数字)
答案
(1)vA+
aΔt
(2)52.1 16.6
解析
(1)设挡光片末端到达光电门的速度为v,则由速度时间关系可知:
v=vA+aΔt,且
联立解得:
=vA+
aΔt;
(2)由题图(c)可读出vA≈52.1cm/s,图线的斜率
k=
a=
cm/s2≈8.28cm/s2,
即a≈16.6cm/s2.
变式3 (2018·
天津市南开中学月考)某校研究性学习小组的同学用如图9甲所示的滴水法测量一小车在斜面上运动时的加速度.实验过程如下:
在斜面上铺上白纸,用图钉钉住;
把滴水计时器固定在小车的末端,在小车上固定一平衡物;
调节滴水计时器的滴水速度为每0.2s滴一滴(以滴水计时器内盛满水为准);
在斜面顶端放置一浅盘,把小车放在斜面顶端,把调好的滴水计时器盛满水,使水滴能滴入浅盘内;
随即在撤去浅盘的同时放开小车,于是水滴在白纸上留下标志小车运动规律的点迹;
小车到达斜面底端时立即将小车移开.
图9
图乙为实验得到的一条纸带,用刻度尺量出相邻点之间的距离是:
s01=1.40cm、s12=2.15cm、s23=2.91cm、s34=3.65cm、s45=4.41cm、s56=5.15cm,试问:
(1)滴水计时器的原理与课本上介绍的______________原理类似.
(2)由纸带数据计算可得计数点4所代表时间的瞬时速度v4=________m/s,计算小车的加速度a的表达式为________________,计算结果为________m/s2.(结果均保留两位有效数字)
答案
(1)打点计时器
(2)0.20
0.19
解析
(1)滴水计时器的原理与课本上介绍的打点计时器原理类似.
(2)计数点4所代表时间的瞬时速度v4=
m/s≈0.20m/s
小车的加速度a的表达式为:
代入数据可得:
a≈0.19m/s2.
类型2 实验方法拓展
例3 (2018·
全国卷Ⅲ·
22)甲、乙两同学通过下面的实验测量人的反应时间.实验步骤如下:
(1)甲用两个手指轻轻捏住量程为L的木尺上端,让木尺自然下垂.乙把手放在尺的下端(位置恰好处于L刻度处,但未碰到尺),准备用手指夹住下落的尺.
(2)甲在不通知乙的情况下,突然松手,尺子下落;
乙看到尺子下落后快速用手指夹住尺子.若夹住尺子的位置刻度为L1,重力加速度大小为g,则乙的反应时间为________(用L、L1和g表示).
(3)已知当地的重力加速度大小为g=9.80m/s2,L=30.0cm,L1=10.4cm.乙的反应时间为________s.(结果保留2位有效数字)
(4)写出一条能提高测量结果准确程度的建议:
______________________________.
答案
(2)
(3)0.20 (4)多次测量取平均值;
初始时乙的手指尽可能接近尺子
解析
(2)根据自由落体运动的规律,得L-L1=
gt2,解得t=
.
(3)将g=9.80m/s2,L=30.0cm=0.300m,L1=10.4cm=0.104m,代入t=
得t=0.20s.
(4)建议:
多次测量取平均值;
初始时乙的手指尽可能接近尺子.
变式4 (2018·
广东省汕头市第二次模拟)某同学用图10(a)所示的实验装置测定重力加速度,其中打点计时器的电源为交流电源,频率为50Hz.打出纸带的一部分如图(b)所示,相邻计数点之间的时间间隔都为t.
图10
(1)本实验除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、电磁打点计时器、导线及开关外,在下列器材中,还必须使用的器材是____________.(填器材前面的代号)
A.交流电源
B.刻度尺
C.天平(含砝码)
(2)若使用s1和s3两组数据来计算重力加速度,则表达式为g=________.
(3)已测得s1=6.60cm,s2=8.15cm,s3=9.72cm,已知当地的重力加速度大小约为9.8m/s2,由此可推算出所选纸带相邻计数点之间的时间间隔t=________s,实验测得的重力加速度为________m/s2.
答案
(1)AB
(2)
(3)0.04 9.75
解析
(1)测定重力加速度,不需要测量物体的质量,则不需要天平,因为需要打点计时器,则需要交流电源,需要刻度尺测量点迹间的距离,故选A、B.
(2)根据s3-s1=2gt2,得重力加速度g=
(3)根据s3-s1=2gt2得:
t=
=
s≈0.04s.
由
(2)知,g=
m/s2=9.75m/s2.