高考物理一轮复习实验一研究匀变速直线运动教学案.docx

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高考物理一轮复习实验一研究匀变速直线运动教学案

实验一　研究匀变速直线运动

【实验一长度的测量】

实验目的

练习正确使用刻度尺和游标卡尺测量长度。

测量一段金属管的长度、内径和外径；测量一个小量筒的深度。

实验器材

刻度尺，游标卡尺，金属管，小量筒。

实验原理

1．刻度尺

刻度尺的规格

实验中常用的刻度尺是米尺，米尺的最小分度是1mm，量程不等，测量中常用的米尺有钢卷尺、木直尺、带刻度的三角板等。

2．游标卡尺

（1）游标卡尺的构造如图所示，它的左测量爪固定在主尺上并与主尺垂直，右测量爪与左测量爪平行，固定在游标尺上，可以随同游标尺一起沿主尺滑动。

在下图中，上边是内测量爪，用来测槽宽和管的内径；下边是外测量爪，用来测物体的厚度或管的外径；有些游标卡尺在主尺背后嵌着一根窄片，它和游标尺固定在一起，随着游标尺沿主尺滑动，用来测量槽或孔的深度。

（2）常见的游标尺按游标尺刻度的格数分成以下3种

游标尺（mm）

精度

（mm）

测量结果（游标尺上第n个格与主尺上的刻度线对齐时/mm）

刻度

格数

刻度总

长度

每小格与

1mm差

10

20

50

9

19

49

0.1

0．05

0．02

0.1

0．05

0．02

主尺上读的毫米数＋0.1n

主尺上读的毫米数＋0.05n

主尺上读的毫米数＋0.02n

（3）游标卡尺读数的技巧

①读数时以mm为单位来读，读出后再按要求化成其他单位。

②以主尺读数时一定要读离游标零刻度线左边最近的主尺刻度线的值。

③在读小数部分时一定要认清第几根刻度与主尺的刻度对齐。

④一定要弄清所用卡尺的精确度。

⑤若用X表示由主尺上读出整的毫米数，K表示从游标尺上读出与主尺上某一刻度线对齐的游标的格数，则记录结果表达为：

（X＋K×精确度）mm。

实验步骤

1．用刻度尺测量金属管的长度，每次测量后让金属管绕轴转过约45°，再测量下一次，共测量4次。

把测量的数据填入表格中，求出平均值。

2．用游标卡尺测量金属管的内径和外径。

测量时先在管的一端测量两个互相垂直方向的内径（或外径），再在管的另一端测量两个互相垂直方向的内径（或外径），把测量的数据填入表格中，分别求出内径和外径的平均值。

3．用游标卡尺测深度

金属管

小量筒

长度

l/mm

内径

d内/mm

外径

d外/mm

深度

h/mm

1

2

3

4

平均值

注意事项

1．刻度尺的刻度线要紧贴金属管，并且读数时视线与刻度线要对齐，避免误差；如果刻度尺端头有磨损，测量起点不要选在“0”刻度线。

2．分清游标卡尺的精确度是多少？

读数时应使视线与尺垂直，避免产生误差。

3．读数时可应用下列公式方法进行：

测量值＝主尺读数＋游标尺与主尺刻度线对齐的格数×精确度，单位是“mm”。

精确度等于主尺最小分度的长度除以游标尺刻度的格数。

在“主尺读数”时一定要读游标零刻度线左边最近的主尺刻度线的值。

4．在游标卡尺测量金属管的外径时，金属管不可在钳口间移动或压得太紧，以免磨损钳口；用游标卡尺测量金属管的外径、内径和量筒的深度时，当游标卡尺放在合适的位置后，应适当旋紧固定螺钉，然后再读数。

5．如果游标卡尺的读数是以试卷的形式出现，则一定要注意区分“0”刻度线与游标尺的边线。

6．在完成“主尺读数”和“游标尺读数”之和的运算过程中，其单位必须统一；游标卡尺的读数不作有效数字要求。

误差分析

1．当游标卡尺的测量爪合在一起时，游标尺的零刻线与主尺的零刻线重合时，游标卡尺不存在零误差，可以直接进行测量；当游标卡尺的测量爪合在一起时，游标尺的零刻线与主尺的零刻线不重合时，游标卡尺存在零误差，测量、读数的方法依旧，但最后的数据在处理时要考虑零误差的影响。

2．当游标卡尺的测量爪合在一起时，游标尺的零刻线在主尺零刻线的右侧，则用读数的方法读出零误差，用最终的读数减去零误差。

3．当游标卡尺的测量爪合在一起时，游标尺的零刻线在主尺零刻线的左侧，则用读数的方法读出此时的零误差，最后的数据等于最终的读数减去零误差加1。

4．只要操作正确，本实验的误差主要为系统误差，用游标卡尺测量的读数属于可靠数字，其误差小于精度的50%。

【实验二练习使用打点计时器】

1．实验目的

（1）练习正确使用打点计时器，学会利用打上点的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（Δt＝aT2）．

（3）测定匀变速直线运动的加速度．

2．实验原理

（1）打点计时器．

①作用：

计时仪器，当所用交流电源的频率f＝50Hz时，每隔0.02s打一次点．

②工作条件：

电磁打点计时器，6V以下交流电源；电火花计时器，220V交流电源．

③处理纸带数据时区分计时点和计数点：

计时点是指打点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0.1s.

（2）匀变速直线运动的判断．

①沿直线运动的物体在连续相等时间T内的位移分别为x1、x2、x3、x4…，若Δx＝x2－x1＝x3－x2＝x4－x3＝…，则说明物体在做匀变速直线运动，且Δx＝aT2.

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v－t图线是一条倾斜的直线，则说明物体的速度随时间均匀变化，即做匀变速直线运动．

（3）由纸带求物体运动速度的方法．

根据匀变速直线运动某段时间中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度，得vn＝

.

（4）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为相邻两计数点之间的时间间隔），求出a1＝

，a2＝

，a3＝

，再算出a1、a2、a3的平均值a＝

＝

×

＝

，即为物体的加速度．

②图象法：

如图所示，以打某计数点时为计时起点，利用vn＝

求出打各点时的瞬时速度，描点得v－t图线，图线的斜率即为物体做匀变速直线运动的加速度．

3．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．

4．实验步骤

（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，重复三次．

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确定计数点，为了计算方便和减小误差，通常用连续打点五次的时间作为时间单位，即计数点的时间间隔为T＝0.1s．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．

【实验三研究匀变速直线运动】

一、实验目的

1．练习使用电火花计时器或电磁打点计时器，利用打上点的纸带研究物体的运动情况。

2．掌握判断物体是否做匀变速运动的方法。

3．测定匀变速直线运动的加速度。

二、实验原理

实验原理和方法

1．打点计时器的使用

（1）电磁打点计时器：

电磁打点计时器是一种使用低压交流电源的仪器，它的工作电压为4～6V。

当通过的电流频率为f＝50Hz时，它每隔0.02s打一次点。

（2）电火花计时器：

电火花计时器是利用火花放电使墨粉在纸带上打出墨点而显出点迹的计时仪器。

当电火花计时器接通220V交流电源，按下脉冲输出开关时，计时器发出的脉冲电流经接正极的放电针、接负极的纸盘轴（墨粉纸盘），产生火花放电，于是在运动的纸带上打出一列点迹，当电源频率为50Hz时，它的脉冲放电周期也是0.02s，即每隔0.02s打一个点。

2．由纸带求物体运动加速度的方法

（方法一）逐差法：

取偶数段位移

因为（x4－x3）＋（x3－x2）＋（x2－x1）＝x4－x1＝3aT2

同理有x5－x2＝x6－x3＝…＝3aT2

所以，我们可以由测得的各段位移x1，x2……求出a1＝

，a2＝

……

再由a1，a2…算出平均值a＝

（a1＋a2＋a3）＝

就是所要测得的加速度。

（方法二）图象法：

如图所示，以打某点为计时起点，由vn＝

求出各个计数点的瞬时速度，作v－t图象，图象的斜率即为物体的加速度。

3．求物体在打下某计数点时瞬时速度的方法

v1＝

（时间2T内的平均速度等于该段时间中点T时刻的瞬时速度）。

实验器材

电火花计时器或电磁打点计时器，纸带，电源，小车，细绳，一端附有滑轮的长木板，刻度尺，钩码，导线。

实验步骤

1．如图所示，把一端附有滑轮的长木板放在实验桌上，并把滑轮伸出桌面，把打点计时器固定在长木板上远离滑轮的一端，连接好电路。

2．把一条细绳拴在小车上，使细绳跨过滑轮，下边挂上合适的钩码，放手后，看小车能否在木板上平稳地加速滑行，然后把纸带穿过打点计时器，并把纸带的另一端固定在小车的后面。

3．把小车停在打点计时器处。

先接通电源，后释放小车，让小车拖着纸带运动，打点计时器就在纸带上打下一系列小点，换上新纸带，重复实验三次。

数据处理

1．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，在后边便于测量的地方找一个开始点来确定计数点。

为了计算方便和减小误差，通常用连续打五个点的时间作为时间单位，即T＝0.1s。

2．正确使用毫米刻度尺测量每相邻的两计数点间的距离，并填入表内，用逐差法求出加速度，最后求其平均值（请读者自己设计表格）。

3．也可求出各计数点对应的瞬时速度，作出v－t图象，求直线的斜率，即物体运动的加速度。

误差分析

本实验参与计算的量有x和T，因此误差来源于x和T。

调整好打点计时器，由于市电的频率很稳定，其误差小于±0.2Hz，故可将打点时间误差忽略不计。

若测各个x时用最小分度为1mm的刻度尺，其误差一般不超过0.5mm。

若点子打得清晰而小，则误差可小于0.2mm。

因此我们应选择点子打得小而清晰的纸带，且要用最小分度为1mm的刻度尺估测到0.1mm，并要求眼睛要正对点和刻度尺，以尽量减小误差。

高频考点一　基本仪器及纸带数据处理

例1．关于打点计时器的使用，下列说法中正确的是（　　）

A．打点计时器一般使用4～6V的直流电源

B．安放纸带时，应把纸带放在复写纸的上面

C．开始释放小车时，应使小车靠近打点计时器

D．最好在接通电源的同时，放开小车

答案　C

【变式探究】如图2所示，气垫导轨上滑块经过光电门时，其上的遮光条将光遮住，电子计时器可自动记录遮光时间Δt.测得遮光条的宽度为Δx，用

近似代表滑块通过光电门时的瞬时速度．为使

更接近瞬时速度，正确的措施是（　　）

图2

A．换用宽度更窄的遮光条

B．提高测量遮光条宽度的精确度

C．使滑块的释放点更靠近光电门

D．增大气垫导轨与水平面的夹角

答案　A

解析　

是Δt时间内的平均速度，Δt越小，

就越接近某点的瞬时速度．A选项中换用宽度更窄的遮光条，就是取更短的时间Δt，A正确；B、C、D选项中的处理不能保证Δt很短，

不能确定更接近瞬时速度，选项B、C、D错误．

【方法技巧】认识“两种仪器”，区别“两种点”

1．打点计时器

（1）作用：

计时仪器，每隔0.02s打一次点．

（2）工作条件

①电磁打点计时器：

4～6V的交流电源．②电火花计时器：

220V的交流电源．

2．气垫导轨：

导轨小孔中喷出的气体使滑块处于悬浮状态，减小滑块与导轨间的摩擦阻力．

3．计时点和计数点

（1）计时点和计数点的比较

计时点是打点计时器打在纸带上的实际点，两相邻点间的时间间隔为0.02s；计数点是人们根据需要按一定的个数选择的点，两个相邻计数点间的时间间隔由选择的个数而定，如每5个点取一个计数点和每隔4个点取一个计数点，时间间隔都是0.1s.

（2）纸带上相邻的两点的时间间隔均相同，速度越大，纸带上的计数点越稀疏．

高频考点二　实验原理与实验操作

例2．关于“探究小车速度随时间变化的规律”的实验操作，下列说法中错误的是（　　）

A．长木板不能侧向倾斜，也不能一端高一端低

B．在释放小车前，小车应停在靠近打点计时器处

C．应先接通电源，待打点计时器开始打点后再释放小车

D．要在小车到达定滑轮前使小车停止运动

答案　A

【变式探究】在做“研究匀变速直线运动”的实验时，为了能够较准确地测出加速度，将你认为正确的选项前面的字母填在横线上：

________.

A．把附有滑轮的长木板放在实验桌上，并使滑轮伸出桌面

B．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

C．再把一条细绳拴在小车上，细绳跨过滑轮，下边挂上合适的钩码，每次必须由静止释放小车

D．把纸带穿过打点计时器，并把它的一端固定在小车的后面

E．把小车停在靠近打点计时器处，接通直流电源后，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，重复三次

F．从三条纸带中选择一条比较理想的纸带，舍掉开头比较密集的点，在后边便于测量的地方找一个起始点，并把每打五个点的时间作为时间单位．在选好的起始点下面记作0，往后第五个点作为计数点1，依次标出计数点2、3、4、5、6，并测算出相邻两计数点间的距离

G．根据公式a1＝

、a2＝

、a3＝

及a＝

，求出a

答案　ABCDFG

高频考点三　数据处理与误差分析

例3．

（1））研究小车匀变速直线运动的实验装置如图5（a）所示，其中斜面倾角θ可调，打点计时器的工作频率为50Hz，纸带上计数点的间距如图（b）所示，其中每相邻两点之间还有4个记录点未画出．

图5

①部分实验步骤如下：

A．测量完毕，关闭电源，取出纸带

B．接通电源，待打点计时器工作稳定后放开小车

C．将小车停靠在打点计时器附近，小车尾部与纸带相连

D．把打点计时器固定在平板上，让纸带穿过限位孔

上述实验步骤的正确顺序是：

__________（用字母填写）．

②图（b）中标出的相邻两计数点的时间间隔T＝______s.

③计数点5对应的瞬时速度大小计算式为v5＝________.

④为了充分利用记录数据，减小误差，小车加速度大小的计算式应为a＝________.

答案　①DCBA　②0.1　③

④

解析　②时间t＝nT0＝5×0.02s＝0.1s（n为相邻两个计数点的间隔数）．③在匀变速直线运动中：

中间时刻的速度等于平均速度．④取x1′＝x1＋x2＋x3，x2′＝x4＋x5＋x6，则：

T′＝3T，就可用Δx′＝x2′－x1′＝aT′2求a.

【变式探究】实验中，如图6所示为一次记录小车运动情况的纸带，图中A、B、C、D、E为相邻的计数点，相邻计数点间的时间间隔T＝0.1s.

图6

（1）根据纸带可判定小车做________运动．

（2）根据纸带计算各点瞬时速度：

vD＝________m/s，vC＝________m/s，vB＝________m/s.在如图7所示坐标中作出小车的v－t图线，并根据图线求出a＝________.

图7

（3）将图线延长与纵轴相交，交点的速度的物理意义是

________________________________________________________________________.

答案　

（1）匀加速直线　

（2）3.90　2.64　1.38　见解析图　12.60m/s2　（3）零时刻小车经过A点的速度

（3）图线与纵轴交点的速度的物理意义是零时刻小车经过A点的速度．

高频考点四　实验拓展与创新

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8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8

（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

【变式探究】现用频闪照相方法来研究物块的变速运动．在一小物块沿斜面向下运动的过程中，用频闪相机拍摄的不同时刻物块的位置如图9所示．拍摄时频闪频率是10Hz，通过斜面上固定的刻度尺读取的5个连续影像间的距离依次为x1、x2、x3、x4.已知斜面顶端的高度h和斜面的长度x.数据如下表所示．重力加速度大小g＝9.80m/s2.

图9

单位：

cm

x1

x2

x3

x4

h

x

10.76

15.05

19.34

23.65

48.00

80.00

根据表中数据，完成下列填空：

（1）物块的加速度a＝__________m/s2（保留3位有效数字）

（2）因为________________，可知斜面是粗糙的．

答案　

（1）4.30　

（2）a

＝5.88m/s2

【方法技巧】从原理迁移和数据处理技巧上进行创新

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境．因此，要在夯实基础实验的基础上注意迁移创新能力的培养，善于用教材中实验的原理、方法和技巧处理新问题．

2．原理演化（如图12所示）

图12

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．

1．[2016·天津卷]

（2）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________．

图1

A．细线必须与长木板平行

B．先接通电源再释放小车

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50Hz的交流电源上，得到一条纸带，打出的部分计数点如图1所示（每相邻两个计数点间还有4个点，图中未画出）．s1＝3.59cm，s2＝4.41cm，s3＝5.19cm，s4＝5.97cm，s5＝6.78cm，s6＝7.64cm，则小车的加速度a＝________m/s2（要求充分利用测量的数据），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）

图1

【答案】①AB　②0.80　0.40

2.【2015·海南·11】某同学利用游标卡尺和螺旋测微器分别测量一圆柱体工件的直径和高度，测量结果如图（a）和（b）所示。

该工件的直径为______cm，高度为________mm。

【答案】

，

【解析】游标卡尺读数为

螺旋测微器的读数为：

3.【2015·重庆·6

（1）】8．同学们利用如题6图1所示方法估测反应时间。

首先，甲同学捏住直尺上端，使直尺保持竖直状态，直尺零刻度线位于乙同学的两指之间。

当乙看见甲放开直尺时，立即用手指捏直尺，若捏住位置的刻度读数为

，则乙同学的反应时间为（重力加速度为

）。

基于上述原理，某同学用直尺制作测量反应时间的工具，若测量范围为0～0.4s，则所用直尺的长度至少为cm（

取10m/s2）；若以相等时间间隔在该直尺的另一面标记出表示反应时间的刻度线，则每个时间间隔在直尺上对应的长度是的（选填“相等”或“不相等”）.

【答案】

，80，不相等

4．（2015·广东卷）某同学使用打点计时器测量当地的重力加速度．

（1）请完成以下主要实验步骤：

按图（a）安装实验器材并连接电源；竖直提起系有重物的纸带，使重物__________（填“靠近”或“远离”）计时器下端；________，________，使重物自由下落；关闭电源，取出纸带；接新纸带重复实验．

（2）图（b）和（c）是实验获得的两条纸带，应选取________[填“（b）”或“（c）”]来计算重力加速度．在实验操作和数据处理都正确的情况下，得到的结果仍小于当地重力加速度，主要原因是空气阻力和____________．

解析：

（1）重物靠近打点计时器下端，可在纸带上打下更多的点，提高纸带利用率．为了能在纸带上打下尽可能多的点，且避免因打点计时器在接通电源后工作状态不稳而引起的误差，要求先接通电源，待计时器工作稳定后再释放纸带．

（2）比较图（b）与（c）可知，图（b）中重物做匀加速运动，而图（c）中重物先加速后减速，故应选用（b）．由ma＝mg－Ff知a＝g－

，测得a

答案：

（1）靠近　接通电源　释放纸带　

（2）（b）　纸带与限位孔间的摩擦

5.【2014·全国大纲卷】现用频闪照相方法来研究物块的变速运动。

在一小物块沿斜面向下运动的过程中，用频闪相机拍摄的不同时刻物块的位置如图所示。

拍摄时频闪频率是10Hz；通过斜面上固定的刻度尺读取的5个连续影像间的距离依次为x1、x2、x3、x4。

已知斜面顶端的高度h和斜面的长度s。

数据如下表所示。

重力加速度大小g=9.80m/s2。

根据表中数据，完成下列填空：

（1）物块的加速度a＝m/s2（保留3位有效数字）。

（2）因为，可知斜面是粗糙的。

【答案】

（1）4.30（或4.29或4.31）；

（2）物块加速度小于

＝5.88m/s2（或物块加速度小于物块沿光滑斜面下滑的加速度）

【解析】

6.【2014·新课标全国卷Ⅰ】某同学利用图（a）所示实验装置即数字化信息系统获得了小车加速度a与钩码的质量m的对应关系图，如图（b）所示，实验中小车（含发射器）的质量为200g，实验时选择了不可伸长的轻质细绳和轻定滑轮，小车的加速度由位移传感器及与之相连的计算机得到，回答下列问题：

（1）根据该同学的结果，小车的加速度与钩码的质量成（填“线性”或“非线性”）的关系。

（2）由图（b）可知，

图线不经过远点，可能的原因是。