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2014名师一号高考物理一轮课件:第一章 第4讲 实验:研究匀变速直线运动(61张PPT)


必考部分 必修1

第一章 运动的描述 匀变速直线运动的研究

第四讲

实验:研究匀变速直线运动

回扣教材

题型归类

误区反思

双基限时练

回扣教材?自主学习

知 识 梳 理

/>一、实验目的 1.练习使用打点计时器,学会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. 3.会利用纸带测定匀变速直线运动的加速度.

二、实验原理 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 电磁打点计时器:6 V以下交流电源

电火花计时器:220 V交流电源 (3)纸带上点的意义:①表示和纸带相连的物体在不同时 刻的位置;②通过研究纸带上各点之间的间隔,可以判断物 体的运动情况.

2.利用纸带判断物体是否做匀变速直线运动的方法. 设x1、x2、x3?为纸带上相邻两个计数点之间的距离, 若Δx=x2-x1=x3-x2=x4-x3=?=常数,即连续相等的时 间间隔内的位移之差为恒量,则与纸带相连的物体做匀变速 直线运动.

3.由纸带求物体运动加速度的方法. (1)逐差法:根据x4-x1=x5-x2=x6-x3=3aT2,求a1、 a2、a3,再算出a1、a2、a3的平均值即为我们所求的匀变速直 线运动物体的加速度. x4-x1 设T为相邻两计数点之间的时间间隔,则a1= ,a2 3T2 x5-x2 x6-x3 = ,a3= , 3T2 3T2

a1+a2+a3 加速度的平均值为a= . 3 “逐差法”求加速度的目的是尽可能多地使用我们测量 的数据x1、x2、x3?以减小偶然误差.

(2)用v-t图象求加速度: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,即vn= xn+xn+1 ,求出打各个计数点时纸带的瞬时速度,再作出v- 2T t图象,图线的斜率即为做匀变速直线运动物体的加速度.

三、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.

四、实验步骤 1.把一端附有滑轮的长木板平放在实验桌上,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,如图1-4-1所示.

图1-4-1

2.把一条细绳拴在小车上,细绳跨过滑轮,并在绳的 另一端挂上合适的钩码,把纸带穿过打点计时器(纸带要放 在复写纸下面),并把纸带的一端固定在小车的后面. 3.把小车停在靠近打点计时器处,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.取下纸带,换上新纸带,重复实验三次.

4.从三条纸带中选择一条比较理想的纸带,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, 为了测量方便和减少误差,通常不用每打一次点的时间作为 时间的单位,而用每打五次点的时间作为时间的单位,就是 T=0.1_s,在选好的开始点下注明A,依次标为B、C、D、 E?(这些点叫做计数点).

5.一般要测出六段位移x1、x2、x3、x4、x5、x6. 6.根据测量结果,利用“实验原理”中给出的公式算 出加速度a1、a2、a3的值,(注意T=0.1s)求出a1、a2、a3的平 均值,就是小车做匀变速直线运动的加速度.

考 点 自 测
考点一 实验操作

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,其中错误或多余的步骤是________. 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,下面吊 着适当重的钩码 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 匀速运动 F.将纸带固定在小车尾部,并穿过打点计时器的限位 孔

若有遗漏步骤,将遗漏步骤写在下面的横线上(遗漏可 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;C中应调整滑

轮的高度,使细绳与平板平行;D中应先断开电源,使打点 计时器停止工作;E属于多余步骤.应补充G,换上新纸 带,重复操作两次;H,断开电源,整理好器材.正确合理 的顺序应为B、F、C、A、D、G、H.

答案 见解析

考点二

实验数据的处理

2.如图1-4-2所示是物体做匀变速直线运动得到的一条 纸带,从0点开始每5个计时点取一个计数点,依照打点的先 后顺序依次编为1、2、3、4、5、6,测得x1=5.18 cm,x2= 4.40 cm,x3=3.62 cm,x4=2.78 cm,x5=2.00 cm,x6=1.22 cm.

图1-4-2 (1)相邻两计数点间的时间间隔为________s. (2)物体的加速度大小为a=________m/s2,方向 ________(填A→B或B→A).

(3)打点计时器打计数点3时,物体的速度大小v3= ________m/s,方向________(填A→B或B→A).

解析

?x6+x5+x4?-?x3+x2+x1? a= 9T2

?2.78+2.00+1.22?-?5.18+4.40+3.62? = cm/s2 2 9×0.1 =-80 cm/s2=-0.80m/s2 “-”号表示加速度方向与纸带运动方向相反,即方向 为A→B.

x3+x4 3.62+2.78 v3= = cm/s 2T 2×0.1 =32.0 cm/s=0.32m/s. 方向从B→A.

答案 (2)0.80 (3)0.32

(1)0.1 A→B B→A

题型归类?深度剖析

疑 难 辨 析
疑难点一 名师在线 (1)使用打点计时器打点时,应先接通电源,待打点计时器稳 定工作后,再释放纸带. 本实验中有哪些需要注意的问题?请简述.

(2)细绳尽可能与木板平行,以确保细绳对小车的拉力不 变;小车的加速度应适当大一些,可以减小长度的测量误 差,以能在纸带上长约50 cm的范围内清楚地取7~8个计数 点为宜. (3)电火花计时器利用高压脉冲火花放电“打点”,放电 针与纸带没有接触,因而不会干扰纸带运动,相对来说阻力 很小,所以有条件最好用电火花计时器.

(4)安装纸带时,纸带位于长木板中间,并保证运动时纸 带不与打点计时器限位孔摩擦.为减小实验误差,我们往往 舍弃纸带开始那些比较密集的点,从间距较大的点开始取计 数点.有时采用每五个点取一个计数点的方法,这时相邻两 计数点之间的时间间隔为5×0.02s=0.1s.在实验操作中, 要在钩码落地处垫上软垫,防止砸坏地板;当小车即将运动 到长木板的定滑轮处时,立即用手将小车接住,以免小车与 定滑轮碰撞.

疑难点二 速度? 名师在线

为什么处理数据时,常用“逐差法”计算加

处理数据时,有两种计算的方法:

x2-x1 x3-x2 x6-x5 方法一:a1= 2 ,a2= 2 ,?,a5= 2 ? T T T 得-= a a1+a2+?+a5 5

?x2-x1?+?x3-x2?+?+?x6-x5? = 5T2 x6-x1 = . 5T2

x4-x1 a5-x2 x6-x3 方法二:a1= ,a2= ,a3= , 3T2 3T2 3T2 -=a1+a2+a3=?x4+x5+x6?-?x1+x2+x3?. 得a 3 9T2 比较两种方法,方法一中只用了x6、x1两段,而方法二 中用了6段,前者误差较大,后者误差较小,所以常用后者 计算加速度.

典 例 剖 析
题型一 利用纸带求速度和加速度

【例1】

在“研究匀变速直线运动”的实验中,打点计

时器使用的交流电源的频率为50 Hz,记录小车运动的纸带如 图1-4-3所示,在纸带上选择6个计数点A、B、C、D、E、 F,相邻两计数点之间还有四个点未画出,各点到A点的距离 依次是2.0 cm、5.0 cm、9.0 cm、14.0 cm、20.0 cm.

图1-4-3 (1)根据学过的知识可以求出小车在B点的速度为vB= ________m/s,CE间的平均速度为________m/s.

(2)以打B点时为计时起点,建立v-t坐标系,如图1-4 -4所示,请在图中作出小车运动的速度与时间的关系图 线.

图1-4-4 (3)根据图线可得小车运动的加速度为________m/s2.

[思路分析]

利用纸带求速度是以平均速度表示中间时

刻的瞬时速度;利用纸带求加速度有两种方法:公式计算法 和图象法,本题采用描点作图法画图线,作图时应遵循以下 三条原则:①让尽量多的点在直线上;②不能在直线上的点 应均匀分布在直线两侧;③个别偏离直线太远的点应舍 去.作出图线后利用其斜率求加速度.

[解析]

(1)相邻两个计数点间的时间间隔为0.1s,

xAC 0.05 所以vB= = m/s=0.25m/s, 2×0.1 s 0.2 -CE= v 0.14-0.05 xCE = m/s=0.45m/s. 0.2 2×0.1 s

(2)v-t图象如图1-4-5所示.

图1-4-5

(3)在v-t图象中,图线的斜率表示加速度, 0.55-0.25 即a= m/s2=1m/s2. 0.3

[答案]

(1)0.25

0.45

(2)见图1-4-5 (3)1

【变式训练1】

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1-4-6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 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?_______.

求解方法是:________________________________________ ____________________________________________________ __________________________________________________. (不要求计算具体数值,但要说明过程)

图1-4-6

解析

从图中读出5、6之间的距离为37.5 cm-24.0 cm

=13.5 cm,2、3之间的距离为6.0 cm-1.5 cm=4.5 cm,利用 逐差法有x56-x23=3aT2,求出a=3.0×10-2m/s2;位置4对应 x35 24.0-6.0 的速度为v4= = ×10-2m/s=9×10-2m/s;欲求4 2T 2 的具体位置,可以采用逐差法利用(x6-x4)-(x4-x2)=4aT2 求解.

答案

3.0×10 2(2.8×10 2~3.1×10 2)







9×10

-2



利用(x6-x4)-(x4-x2)=4aT2可以求出4的具体位置(其他方 法合理均可)

题型二

实验误差的分析

【例2】

光电计时器是一种研究物体运动情况的常用

计时仪器,其结构如图1-4-7①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1-4-7②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是固定在长木板上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-
3

s.用精度为0.05mm的游标卡尺测量滑块的宽度为d,其示

数如图1-4-7③所示.

图1-4-7

(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. [思路分析] 考查游标卡尺的读数,瞬时速度的求解方

法,及误差分析.

[解析] cm.

(1)d=10mm+0.05mm×2=10.10mm=1.010

d 1.010×10 (2)v1= = m/s=1.0m/s; - t1 1.0×10 2 d 1.010×10 v2= = m/s=2.5m/s. t2 4×10-3
-2

-2

(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.
[答案] (2)1.0 (1)1.010 2.5 滑块

(3)平均速度

【变式训练2】

如图1-4-8,为测量做匀加速直线运

动的小车的加速度,将宽度均为b的挡光片A、B固定在小车 上,测得二者间距为d.

图1-4-8

(1)当小车匀加速经过光电门时,测得两挡光片先后经过 的时间Δt1和Δt2,则小车加速度a=________. (2)(多选题)为减小实验误差,可采取的方法是( A.增大两挡光片宽度b B.减小两挡光片宽度b C.增大两挡光片间距d D.减小两挡光片间距d )

解析

b b (1)车两次速度:v1= ,v2= , Δt1 Δt2

v2-v2 b2 ? 1 1 ? 2 1 ? ? 所以a= = ? 2- 2 ?. 2d 2d??Δt2? ?Δt1? ?

b (2)两挡光片宽度越小, 越接近瞬时速度;两挡光片间 Δt 距d越大,v2和v1相差越大,都有利于减小实验误差.

答案 (2)BC

1 ? b2 ? 1 ? ? (1) ? 2- 2? 2d??Δt2? ?Δt1? ?

误区反思?感悟提高

易错点

不能正确使用v-t图象处理数据

【例】

做匀变速直线运动的小车,牵引一条纸带通过

打点计时器,交流电源的频率是50 Hz,由纸带上打出的某一 点开始,每5个点剪下一段纸带,如图1-4-9所示,每一小 段纸带的一端与x轴相重合,一边与y轴平行,将纸带依次贴 在坐标系中,求:

图1-4-9 (1)仔细研究图象,找出小车在相邻时间内位移存在的 关系; (2)设Δt=0.1s,请画出该小车的v-t图象; (3)根据图象求其加速度.

[解析]

(1)由图中所标纸带每段位移关系,可知在相邻

相等时间内的位移差Δy近似相等,考虑误差原因 后,可近似认为Δy=8 cm.

答图1-4-1

(2)以图中的x轴作为时间轴,以纸带的宽度表示相等的 时间间隔T=0.1s,每段纸带上最上端中点对应v轴上的速度 yn 恰好表示每段时间的中间时刻的瞬时速度,即vn= T ;因此 可以用纸带的长度表示每小段时间中间时刻的瞬时速度,将 纸带上端中间各点连接起来,可得到v-t的图象,如答图1 -4-1所示.

(3)利用图象求斜率或用Δy=aT2均可以求得小车加速度a =8m/s2.

[答案]

(1)相邻时间内位移差为8 cm

(2)见答图1-4-1 (3)8m/s2

[误区警示]

理解v-t图象的物理意义是解决问题的关

键,纸带的宽度用来表示间隔相等的时间,纸带的长度是相 等时间内的位移,可表示出各段时间的平均速度,即中间时 刻的瞬时速度.

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