全国通用届高三物理复习能力提升 第2章 实验4 研究匀变速直线运动.docx

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全国通用届高三物理复习能力提升第2章实验4研究匀变速直线运动

实验四　研究匀变速直线运动

考纲解读1.了解打点计时器的构造，会使用打点计时器.2.会计算纸带上各点的瞬时速度.3.会利用纸带计算加速度.4.会用图象法探究小车速度与时间的关系，并能根据图象求加速度．

基本实验要求

1．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、复写纸片．

2．实验步骤

（1）按照实验原理图所示实验装置，把打点计时器固定在长木板无滑轮的一端，接好电源；

（2）把一细绳系在小车上，细绳绕过滑轮，下端挂合适的钩码，纸带穿过打点计时器，固定在小车后面；

（3）把小车停靠在打点计时器处，接通电源，放开小车；

（4）小车运动一段时间后，断开电源，取下纸带；

（5）换纸带反复做三次，选择一条比较理想的纸带进行测量分析．

3．注意事项

（1）平行：

纸带、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，防止钩码落地和小车与滑轮相撞．

（4）减小误差：

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．

规律方法总结

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）处理的方法

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运动的方法

（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，因为T是恒量，做匀变速直线运动的小车的加速度a也为恒量，所以Δs必然是个恒量．这表明：

只要小车做匀加速直线运动，它在任意两个连续相等的时间里的位移之差就一定相等．

考点一　实验步骤和数据处理

例1　在“研究匀变速直线运动”的实验中，某同学的操作步骤如下，其中错误的步骤有________．

A．拉住纸带，将小车移到靠近打点计时器处先放开纸带，再接通电源

B．将打点计时器固定在平板上，并接好电源

C．把一条细绳拴在小车上，细绳跨过定滑轮，下面挂上合适的钩码

D．取下纸带

E．将平板一端抬高，轻推小车，使小车能在平板上做加速运动

F．将纸带固定在小车尾部，并穿过打点计时器的限位孔

________________________________________________________________________

将以上步骤完善并填写在横线上（遗漏的步骤可编上序号G、H……）；实验步骤的合理顺序为：

________________.

解析　A中应先接通电源再放开纸带，D中先断开电源，使计时器停止工作，再取下纸带；遗漏步骤G：

换上新纸带重复实验三次．

答案　AD　G．换上新纸带重复实验三次　BEFCADG

考点二　纸带数据的处理

例2　如图1是某同学在做研究匀变速直线运动实验中获得的一条纸带．

图1

（1）已知打点计时器电源频率为50Hz，则纸带上打相邻两点的时间间隔为________．

（2）ABCD是纸带上四个计数点，每两个相邻计数点间有四个点没有画出，从图中读出A、B两点间距s＝________；C点对应的速度是________（计算结果保留三位有效数字）．

解析　

（1）打点计时器频率为50Hz，周期T＝＝0.02s，故打相邻两点的时间间隔为

0.02s；

（2）两相邻计数点间的时间间隔为T＝0.02×5s＝0.1s，由题图读出s＝7.0mm＝

0.70cm（注意估读）．C点对应速度vC＝＝cm/s＝0.100m/s.

答案　

（1）0.02s　

（2）0.70cm　0.100m/s

考点三　应用纸带分析物体运动特点

例3　（2012·山东理综·21

（1））某同学利用如图2所示的实验装置，探究物块在水平桌面上的运动规律．物块在重物的牵引下开始运动，重物落地后，物块再运动一段距离停在桌面上（尚未到达滑轮处）．从纸带上便于测量的点开始，每5个点取1个计数点，相邻计数点间的距离如图3所示．打点计时器电源的频率为50Hz.

图2

图3

①通过分析纸带数据，可判断物块在两相邻计数点______和________之间某时刻开始减速．

②计数点5对应的速度大小为________m/s，计数点6对应的速度大小为________m/s.（保留三位有效数字）

③物块减速运动过程中加速度的大小为a＝______m/s2.

解析　①从计数点1到6相邻的相等时间内的位移差Δx≈2.00cm，在6、7计数点间的位移比5、6计数点间的位移增加了（12.28－11.01）cm＝1.27cm<2.00cm，因此，开始减速的时刻在计数点6和7之间．

②计数点5对应的速度大小为

v5＝＝m/s＝1.00m/s.

计数点4对应的速度大小为

v4＝＝m/s＝0.80m/s.

根据v5＝，得计数点6对应的速度大小为v6＝2v5－v4＝（2×1.00－0.80）m/s＝

1.20m/s.

③物块在计数点7到11之间做减速运动，根据Δx＝aT2得

x9－x7＝2a1T2

x10－x8＝2a2T2

故a＝＝≈－2.00m/s2

答案　①6　7（或7　6）　②1.00　1.20　③2.00

例4　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4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．现利用图乙所示的装置测量滑块和长木板间的动摩擦因数，图中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1.0×10－2s和4.0×10－3s．用精度为0.05mm的游标卡尺测量滑块的宽度d，其示数如图丙所示．

图4

（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，它们实质上是通过光电门1和2时的________，要使瞬时速度的测量值更接近于真实值，可将________的宽度减小一些．

答案　

（1）1.010　

（2）1.0　2.5　（3）平均速度　滑块

解析　

（1）d＝10mm＋0.05mm×2＝10.10mm

＝1.010cm.

（2）v1＝＝m/s＝1.0m/s

v2＝＝m/s＝2.5m/s

（3）v1、v2实质上是通过光电门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．

创新实验设计思路

高考实验题一般源于教材而不拘泥于教材，即所谓情景新而知识旧，因此做实验题应注意迁移创新能力的培养，用教材中实验的原理、方法和技巧处理新问题．针对本实验还可以对实验原理做如下创新．

物块带动小车做加速运动时，因受轨道等各方面的影响，致使

小车加速度不恒定，即小车不真正做匀加速直线运动，若采用

如图5所示装置则可避免．将包有白纸的总质量为m的圆柱金

属棒替代纸带和重物，蘸有颜料的毛笔固定在马达上并随之匀

速转动，使之替代打点计时器．当烧断挂圆柱金属棒的线后，图5

圆柱金属棒竖直方向自由落下，毛笔就在圆柱金属棒面的纸上画出记号，得到对应的纸带，如图6所示．

图6

测出在同一条竖直线上各相邻的两条画线之间的间隔s1、s2、s3…，利用逐差法Δs＝aT2，根据电动机转动的周期T，即可求出金属棒下落的加速度a.

1．在“研究匀变速直线运动”的实验中，使用电磁打点计时器（所用交流电的频率为50Hz），得到如图7所示的纸带．图中的点为计数点，相邻两计数点间还有四个点未画出，下列表述正确的是（　　）

图7

A．实验时应先放开纸带再接通电源

B．（s6－s1）等于（s2－s1）的6倍

C．从纸带可求出计数点B对应的速率

D．相邻两个计数点间的时间间隔为0.02s

答案　C

解析　在做“研究匀变速直线运动”的实验时应先接通电源再放开纸带，A错误；根据相等的时间间隔内通过的位移差sm－sn＝（m－n）aT2，可知（s6－s1）等于（s2－s1）的5倍，B错误；根据B点为A与C点的中间时刻点，有vB＝，C正确；由于相邻的计数点之间还有4个点没有画出，所以两相邻计数点间的时间间隔为0.1s，D错误．

2．一小球在桌面上做匀加速直线运动，现用高速摄影机在同一底片上多次曝光，记录下小球运动过程中在每次曝光时的位置，并将小球的位置编号，得到的照片如图8所示．由于底片保管不当，其中位置4处被污损．若已知摄影机连续两次曝光的时间间隔均为1s，则利用该照片可求出：

小球运动的加速度约为________m/s2.位置4对应的速度为________m/s，能求出4的具体位置吗？

________________（填“能”或“不能”）．求解方法是：

________________________________（不要求计算，但要说明过程）．

图8

答案　3.0×10－2（2.8×10－2～3.1×10－2均可）　9×10－2　能　利用（s6－s4）－（s4－s2）＝4aT2可以求出位置4的具体位置（其他方法合理均可）

解析　从图中读出5、6之间的距离为37.5cm－24.0cm＝13.5cm，2、3之间的距离为

6.0cm－1.5cm＝4.5cm，利用逐差法有s56－s23＝3aT2，求出a＝3.0×10－2m/s2；位置4对应的速度为v4＝＝×10－2m/s＝9×10－2m/s；欲求4的具体位置，可以采用逐差法利用（s6－s4）－（s4－s2）＝4aT2求解．

3．（2011·广东·34

（1）改编）图9是“研究匀变速直线运动”实验中获得的一条纸带，O、A、B、C、D和E为纸带上六个计数点，加速度大小用a表示．

图9

①OD间的距离为________cm.

②图10是根据实验数据绘出的s－t2图线（s为各计数点至同一起点的距离），斜率表示________，a＝________m/s2（结果保留三位有效数字）．

图10

答案　①1.20　②加速度的一半　0.933

解析　①1cm＋1mm×2.0＝1.20cm.

②斜率表示加速度的一半，

a＝m/s2≈0.4667m/s2，

所以加速度大小a≈0.933m/s2.

4．在做“研究匀变速直线运动”的实验中：

（1）实验室提供了以下器材：

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、交流电源、复写纸、弹簧测力计．其中在本实验中不需要的器材是________．

（2）如图11所示，是某同学由打点计时器得到的表示小车运动过程的一条清晰纸带，纸带上两相邻计