(通用版)2021版高考物理大一輪復(fù)習 第1章 運動的描述 勻變速直線運動 實驗1 研究勻變速直線運動教學案
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1、實驗一 研究勻變速直線運動 1.實驗?zāi)康? (1)練習正確使用打點計時器,學會利用打上點的紙帶研究物體的運動。 (2)掌握判斷物體是否做勻變速直線運動的方法(Δx=aT2)。 (3)測定勻變速直線運動的加速度。 2.實驗原理 (1)打點計時器 ①作用:計時儀器,當所用交流電源的頻率f=50 Hz時,每隔0.02 s打一次點。 ②工作條件 ③處理紙帶數(shù)據(jù)時區(qū)分計時點和計數(shù)點:計時點是指打點計時器在紙帶上打下的點。計數(shù)點是指測量和計算時在紙帶上所選取的點,要注意“每5個點取一個計數(shù)點”與“每隔4個點取一個計數(shù)點”取點方法是一樣的,時間間隔均為0.1 s。 (2)勻變速直線
2、運動的判斷 ①沿直線運動的物體在連續(xù)相等時間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動,且Δx=aT2。 ②利用“平均速度法”確定多個點的瞬時速度,作出物體運動的v-t圖象。若v-t圖象是一條傾斜的直線,則說明物體的速度隨時間均勻變化,即做勻變速直線運動。 3.實驗器材 電磁打點計時器(或電火花計時器)、一端附有滑輪的長木板、小車、紙帶、細繩、鉤碼、刻度尺、導(dǎo)線、交流電源、復(fù)寫紙片。 4.實驗步驟 (1)放長木板:把帶有滑輪的長木板平放在實驗桌上(如圖所示)。 (2)定打點計時器:把打點計時器固定在長木
3、板的一端,將紙帶穿過打點計時器限位孔。 (3)掛鉤碼:將小車停在靠近打點計時器的位置,用細繩一端連小車,另一端掛上適當?shù)你^碼。 (4)打點:先接通電源,后釋放小車,讓小車拖著紙帶運動打點,小車停止運動后立即關(guān)閉電源。 (5)重復(fù):換上新的紙帶,重復(fù)實驗兩次。 5.數(shù)據(jù)處理 (1)計算速度 根據(jù)中間時刻的瞬時速度等于這段時間的平均速度,求各計數(shù)點瞬時速度: vA=,vB=,vC=等。 (2)作v-t圖象 建立直角坐標系,橫軸表示時間,縱軸表示速度,根據(jù)數(shù)據(jù)描點。畫一條直線,讓這條直線通過盡可能多的點,不在線上的點均勻分布在直線的兩側(cè),偏差比較大的點舍去。 (3)計算加速度
4、 方法一:根據(jù)a=,先求出各點的速度,作出v-t圖象,計算圖線的斜率即加速度。 方法二:根據(jù)a=,將紙帶數(shù)據(jù)分成時間相等的兩大段,設(shè)圖中相鄰計數(shù)點的時間間隔是T,則a=。 6.注意事項 (1)使紙帶、小車、細繩和定滑輪在一條直線上。 (2)開始釋放小車時,應(yīng)使小車靠近打點計時器。 (3)先接通電源,計時器工作穩(wěn)定后,再釋放小車,當小車停止運動時及時斷開電源。 (4)實驗時要防止鉤碼落地,小車與滑輪碰撞。 (5)選擇一條點跡清晰的紙帶,舍棄點密集部分,適當選取計數(shù)點。 (6)在畫圖象時,注意坐標軸單位長度的選取,使圖象分布在坐標平面的大部分面積上。使圖象中的點盡量均勻分布在圖線
5、兩側(cè)。 實驗原理與操作 1.打點計時器要求:電磁打點計時器用“4~6 V,50 Hz”交流電源,電火花計時器用“220 V,50 Hz”交流電源。 2.本實驗操作順序提示:木板—計時器—小車—通電—斷電。 3.考查操作的熱點問題是:先通電再放小車,先斷電再取紙帶。 [題組訓(xùn)練] 1.在探究小車速度隨時間變化的規(guī)律的實驗中,用打點計時器在紙帶上打的點記錄了小車的運動情況。某同學做此實驗時的步驟如下: A.拉住紙帶,將小車移至靠近打點計時器處,放開紙帶,再接通電源; B.將打點計時器固定在長木板上,并接好電路; C.把一條細繩拴在小車上,細繩跨過定滑輪,下面掛上適當?shù)你^碼;
6、 D.小車停止運動后,直接取下紙帶; E.將紙帶固定在小車尾部,并穿過打點計時器的限位孔; F.換上新紙帶,再重復(fù)操作兩次,然后從各紙帶中選取一條點跡清晰的進行數(shù)據(jù)處理。 其中錯誤或遺漏的步驟有: (1)__________________________________________________; (2)___________________________________________________。 將以上步驟完善后,其合理的順序為______________________ ___________________________________________
7、___________。 [解析] 實驗過程中應(yīng)先接通電源,再放開紙帶;取紙帶前應(yīng)先斷開電源,所以錯誤的步驟是A、D。該實驗步驟中合理的順序為BECADF。 [答案] (1)A中應(yīng)先接通電源,再放開紙帶 (2)D中取紙帶前應(yīng)先斷開電源 BECADF 2.(1)某同學用電磁打點計時器測勻變速直線運動的加速度,電磁打點計時器的工作電源為________。 A.220 V的交流電 B.6 V以下的交流電 C.220 V的直流電 D.6 V以下的直流電 (2)實驗中打點計時器每隔0.02 s打一個點,打出的紙帶如圖所示,則可大致判斷小車做________(選填“勻速”或“勻變速”)直線運動
8、,這是因為__________________________; 計算小車的加速度大小a=________m/s2(保留兩位有效數(shù)字)。 [解析] (1)電磁打點計時器的工作電源為6 V以下的交流電,選項B正確。 (2)根據(jù)打出的紙帶中兩個連續(xù)相等的時間間隔內(nèi)的位移之差恒定,可大致判斷小車做勻變速直線運動。利用Δx=aT2,T=5×0.02 s=0.1 s,可得小車的加速度大小a=0.30 m/s2。 [答案] (1)B (2)勻變速 兩個連續(xù)相等的時間間隔內(nèi)的位移之差恒定 0.30 數(shù)據(jù)處理與誤差分析 1.計算時應(yīng)注意的問題 (1)時間間隔:“相鄰兩個計數(shù)點間有4個點”或
9、“每5個點取1個計數(shù)點”的含義:相鄰計數(shù)點間的時間間隔為0.1 s。 (2)單位換算:本實驗長度測量數(shù)據(jù)一般是“厘米”,要換算成“米”。 (3)有效數(shù)字:按有效數(shù)字的要求取計算結(jié)果。 2.減小實驗誤差的措施 (1)舍棄點密集部分,適當選取計數(shù)點。 (2)多測幾組數(shù)據(jù),用盡量多的數(shù)據(jù)計算。 (3)將紙帶分成等時的兩大段處理,與逐差法取平均值結(jié)果相同。 (4)作v-t圖象時,要適當選取坐標軸的單位長度,使圖象分布在坐標平面盡量大的面積上。 [題組訓(xùn)練] 1.(2019·邯鄲模擬)某同學在做“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”的實驗時,打點計時器所用電源的頻率是50 Hz,在實驗中得到
10、一條點跡清晰的紙帶,他把某一點記作O,再依次選6個點作為計數(shù)點,分別標以A、B、C、D、E和F,如圖甲所示。 甲 乙 (1)由實際的紙帶測得C、D兩點相距2.70 cm,D、E兩點相距2.90 cm,則在打D點時小車的速度是________m/s。 (2)該同學分別算出打各點時小車的速度,然后根據(jù)數(shù)據(jù)在v-t坐標系中描好點,請在圖乙中作出小車的v-t圖象,并求出小車的加速度a=________m/s2。 [解析] (1)vD==1.4 m/s。 (2)v-t圖象如圖所示。 由圖象的斜率知a==5 m/s2。 [答案] (1)1.4 (2)如圖所示 5
11、2.在做“研究勻變速直線運動”的實驗時,某同學得到一條用打點計時器打下的紙帶如圖所示,并在其上取A、B、C、D、E、F、G 7個計數(shù)點,每相鄰兩個計數(shù)點間還有4個點,圖中沒有畫出,打點計時器接周期為T=0.02 s的交流電源。他經(jīng)過測量并計算得到打點計時器在打B、C、D、E、F各點時物體的瞬時速度如下表: 速度/(m·s-1) 0.122 0.164 0.205 0.250 0.289 對應(yīng)點 B C D E F (1)計算vF的公式為vF=________(用已知量字母表示)。 (2)根據(jù)表中記錄的數(shù)據(jù),以A點對應(yīng)的時刻為t=0,可作出v-t圖象,并求物體
12、的加速度a=________m/s2。 (3)如果當時電網(wǎng)中交變電流的頻率是f=51 Hz,而做實驗的同學并不知道,那么加速度的測量值與實際值相比________(選填“偏大”“偏小”或“不變”)。 [解析] (1)每相鄰兩個計數(shù)點間還有4個點,故相鄰的計數(shù)點之間的時間間隔為t=5T=0.1 s。利用勻變速直線運動的推論得vF==。 (2)作出v-t圖象(圖象略),根據(jù)圖線斜率可解得a=≈0.42 m/s2。 (3)如果在某次實驗中,交流電的頻率為51 Hz>50 Hz,則實際打點周期變小,由Δx=at2得,加速度的測量值與實際值相比偏小。 [答案] (1) (2)0.42 (3)偏
13、小 實驗拓展與創(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,本實驗中常見以下創(chuàng)新點。 實驗原理的創(chuàng)新 (a) (b) 1.滑塊在斜面上靠重力的分力與摩擦力的合力獲得加速度。 2.擋光片經(jīng)過光電門的平均速度作為滑塊速度。 3.平均速度的大小與擋光片的長度有關(guān)。 1.物塊在斜面上靠重力的分力與摩擦力的合力獲得加速度。 2.由紙帶確定物塊的加速度。 3.結(jié)合牛頓第二定律求動摩擦因數(shù)。 實驗器材的創(chuàng)新 1.用滴水針頭替代打點計時器打紙帶。 2.
14、小車在水平桌面上因摩擦做勻減速運動。 實驗過程的創(chuàng)新 1.鐵球靠重力產(chǎn)生加速度。 2.鐵球由A到B的時間可由數(shù)字毫秒表讀出。 3.鐵球的加速度由 -t圖線分析得出。 [題組訓(xùn)練] 1.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。圖乙中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
15、接的計時器顯示的擋光時間分別為1.0×10-2 s和4.0×10-3 s。用精度為0.05 mm的游標卡尺測量滑塊的寬度d,其示數(shù)如圖丙所示。 甲 乙 丙 (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)上是滑塊通過光電門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。 [解析] (1)d=
16、10 mm+0.05 mm×2=10.10 mm=1.010 cm。 (2)v1== m/s=1.0 m/s v2== m/s=2.5 m/s。 (3)v1、v2實質(zhì)上是滑塊通過光電門1和2時的平均速度,要使瞬時速度的測量值更接近于真實值,可將滑塊的寬度減小一些。 [答案] (1)1.010 (2)1.0 2.5 (3)平均速度 滑塊 2.某探究小組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,滴水計時器等時間間隔地滴下小水滴,圖(b)記錄了桌面上連續(xù)的6個水滴的
17、位置。(已知滴水計時器每30 s內(nèi)共滴下46個小水滴) (a) (b) (1)由圖(b)可知,小車在桌面上是________(選填“從右向左”或“從左向右”)運動的。 (2)該小組同學根據(jù)圖(b)的數(shù)據(jù)判斷出小車做勻變速運動。小車運動到圖(b)中A點位置時的速度大小為________m/s,加速度大小為________m/s2。(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字) [解析] (1)小車運動時由于摩擦力的作用,速度逐漸減小,滴水計時器滴下水滴的間距逐漸變小,因此小車從右向左運動。 (2)滴水的時間間隔T= s≈0.67 s 小車運動到A點位置時的瞬時速度 vA== m/s≈0.19
18、 m/s 根據(jù)逐差法,共有5組數(shù)據(jù),舍去中間的一組數(shù)據(jù), 則加速度a== m/s2≈-0.037 m/s2 因此加速度的大小為0.037 m/s2。 [答案] (1)從右向左 (2)0.19 0.037 3.某實驗小組利用如圖甲所示裝置測定當?shù)刂亓铀俣鹊臄?shù)值。實驗開始時,小鋼球被電磁鐵吸引靜止不動,光電門位于鋼球的下方,二者的中心處在同一豎直線上。將此時鋼球球心位置記為A點,光電門中心位置記為O點,AO間距離為h。 甲 乙 丙 (1)使用螺旋測微器測定小鋼球的直徑如圖乙所示,可知鋼球的直徑大小為d=________mm。
19、 (2)斷開電磁鐵開關(guān),小鋼球由靜止開始下落,下落過程中通過位于O點處的光電門,由數(shù)字計時器記錄鋼球通過光電門的時間Δt。可由表達式v=________得到小鋼球球心通過光電門時的瞬時速度。 (3)將光電門向下移動一小段距離后,重新釋放小鋼球,記錄小鋼球通過光電門時數(shù)字計時器顯示的時間Δt1和此時光電門與O點間距離x1。 (4)重復(fù)步驟(3),得到若干組Δt和x的數(shù)值。 (5)在 -x坐標中描點連線,得到如圖丙所示直線并計算出其斜率大小為1.6×105,根據(jù)此斜率值,可以得到當?shù)刂亓铀俣鹊臄?shù)值為________m/s2。 (6)本實驗在獲得鋼球球心通過光電門時的瞬時速度時存在誤差,
20、測量的速度值________(選填“大于”“等于”或“小于”)球心通過光電門時的瞬時速度的真實值。 (7)(多選)下列可以減小速度誤差的方式有________(填選項字母)。 A.增大AO間的距離h B.減小AO間的距離h C.換用直徑大一些的小鋼球 D.換用直徑小一些的小鋼球 [解析] (1)螺旋測微器的讀數(shù)11.000 mm。 (2)用很短時間的平均速度表示瞬時速度v=。 (5)由運動學規(guī)律得=2gh, 整理得=h, 則=1.6×105,解得重力加速度g=9.68 m/s2。 (6)小球通過光電門的平均速度等于對應(yīng)中間時刻的瞬時速度,其一定小于位移中點的瞬時速度(球心通過光電門的瞬時速度)。 (7)通過光電門時的速度適當?shù)拇笮欣跍p小實驗誤差,所以A、D兩項正確。 [答案] (1)11.000 (2) (5)9.68 (6)小于 (7)AD 9
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