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實 驗 一 研究勻變速直線運動,【實驗目的】 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(Δs=aT2)。 3.測定勻變速直線運動的加速度。,【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=50Hz時,每隔 0.02s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0.1s。,電磁打點計時器：6 V以下交流電源 電火花計時器：220 V交流電源,,2.勻變速直線運動的判斷： (1)沿直線運動的物體在連續(xù)相等時間T內的位移分別為s1、 s2、s3、s4…,若Δs=s2-s1=s3-s2=s4-s3=…則說明物體在做勻 變速直線運動,且Δs=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圖像。若v-t圖線是一條傾斜的直線,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.由紙帶求物體運動速度的方法：根據(jù)勻變速直線運動某段時 間中間時刻的瞬時速度等于這段時間內的平均速度vn=,4.利用紙帶求物體加速度的兩種方法： (1)逐差法：即根據(jù)s4-s1=s5-s2=s6-s3=3aT2(T為相鄰兩計數(shù)點 之間的時間間隔),求出a1= a2= a3= 再算 出a1、a2、a3的平均值a= 即為物體的加速度。 (2)圖像法：以打某計數(shù)點時為計時起點,利用vn= 求出 打各點時的瞬時速度,描點得v -t圖像,圖像的斜率即為物體做 勻變速直線運動的加速度。,【實驗器材】 電火花計時器或電磁打點計時器、一端附有滑輪的長木板、小車、紙帶、細繩、鉤碼、刻度尺、導線、電源、復寫紙。,【實驗過程】 一、實驗步驟 1.儀器安裝： (1)把一端附有滑輪的長木板放在實驗桌上,并使滑輪伸出桌面,把打點計時器固定在長木板上沒有滑輪的一端,連接好電路。,(2)把一條細繩拴在小車上,細繩跨過定滑輪,下邊掛上合適的鉤碼,把紙帶穿過打點計時器,并把它的一端固定在小車的后面。實驗裝置如圖所示,放手后,看小車能否在木板上平穩(wěn)地加速滑行。,2.測量與記錄： (1)把小車停在靠近打點計時器處,先接通電源,后放開小車,讓小車拖著紙帶運動,打點計時器就在紙帶上打下一系列的點,換上新紙帶,重復三次。 (2)從三條紙帶中選擇一條比較理想的,舍掉開頭一些比較密集的點,從后邊便于測量的點開始確定計數(shù)點,為了計算方便和減小誤差,通常用連續(xù)打點五次的時間作為時間單位,即計數(shù)點的時間間隔為T=0.1s。正確使用毫米刻度尺測量每相鄰兩計數(shù)點間的距離,并填入設計的表格中。,(3)利用某一段時間的平均速度等于這段時間中間時刻的瞬時速度求得各計數(shù)點的瞬時速度。 (4)增減所掛鉤碼的個數(shù),再重復實驗兩次。,二、數(shù)據(jù)處理 1.由實驗數(shù)據(jù)得出v-t圖像： (1)根據(jù)表格中的v、t數(shù)據(jù),在直角坐標系中仔細描點。 (2)作一條直線,使同一次實驗得到的各點盡量落到這條直線上,落不到直線上的各點應均勻分布在直線的兩側,這條直線就是本次實驗的v-t圖線,它是一條傾斜的直線,如圖所示。,2.由實驗得出的v-t圖像進一步得出小車運動的速度隨時間變化的規(guī)律： (1)直接分析圖像的特點得出。小車運動的v-t圖像是一條傾斜的直線,如圖所示,當時間增加相同的值Δt時,速度也會增加相同的值Δv,由此得出結論：小車的速度隨時間均勻變化。,(2)通過函數(shù)關系進一步得出。既然小車的v-t圖像是一條傾斜的直線,那么v隨t變化的函數(shù)關系式為v=kt+b,顯然v與t成線性關系,小車的速度隨時間均勻變化。,【誤差分析】 1.偶然誤差： (1)紙帶上計數(shù)點間距測量有偶然誤差,故要多測幾組數(shù)據(jù),以盡量減小誤差。 (2)用作圖法作出的v -t圖像并不是一條直線。為此在描點時最好用坐標紙,在縱、橫軸上選取合適的單位,用細鉛筆認真描點。,2.系統(tǒng)誤差： (1)紙帶運動時摩擦不均勻,打點不穩(wěn)定引起誤差,所以安裝時紙帶、細繩要與長木板平行,同時選擇符合要求的交流電源的電壓及頻率。 (2)木板的粗糙程度并非完全相同,這樣測量得到的加速度只能是所測量段的平均加速度。可在木板上鋪一層白紙或換用氣墊導軌。,【注意事項】 1.平行：紙帶、細繩要和長木板平行。 2.靠近：釋放小車前,應使小車停在靠近打點計時器的位置。 3.先后順序：實驗時應先接通電源,后釋放小車;實驗后先斷開電源,后取下紙帶。 4.防止碰撞：在到達長木板末端前應讓小車停止運動,防止鉤碼落地,小車與滑輪碰撞。,5.減小誤差：小車另一端掛的鉤碼個數(shù)要適當,避免速度過大而使紙帶上打的點太少,或者速度太小,使紙帶上打的點過于密集。 6.紙帶選?。哼x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。 7.準確作圖：在坐標紙上,縱、橫軸選取合適的單位(避免所描點過密或過疏而導致誤差過大),仔細描點連線,不能連成折線,應作一條直線,讓各點盡量落到這條直線上,落不到直線上的各點應均勻分布在直線的兩側。,【實驗改進】 1.用氣墊導軌代替長木板或在木板上鋪一層白紙以減小摩擦阻力。 2.用頻閃照相的方法或光電計時器代替打點計時器。 優(yōu)點：通過以上裝置的改進能最大程度地減少因長木板和打點計時器的限位孔的阻力而導致的小車加速度不恒定,使小車盡可能做勻加速直線運動,以提高實驗的精確度。,熱點1 實驗原理和實驗步驟 【典題1】(2013·廣東高考)研究小車勻變速直線運動的實驗裝置如圖甲所示,其中斜面傾角θ可調。打點計時器的工作頻率為50Hz。紙帶上計數(shù)點的間距如圖乙所示,其中每相鄰兩點之間還有4個記錄點未畫出。,(1)部分實驗步驟如下： A.測量完畢,關閉電源,取出紙帶。 B.接通電源,待打點計時器工作穩(wěn)定后放開小車。 C.將小車?？吭诖螯c計時器附近,小車尾部與紙帶相連。 D.把打點計時器固定在平板上,讓紙帶穿過限位孔。 上述實驗步驟的正確順序是： (用字母填寫)。 (2)圖乙中標出的相鄰兩計數(shù)點的時間間隔T= s。 (3)計數(shù)點5對應的瞬時速度大小計算式為v5= 。 (4)為了充分利用記錄數(shù)據(jù),減小誤差,小車加速度大小的計算式應為a= 。,【解題探究】 (1)實驗開始前,應將小車?？吭赺__________附近。 (2)實驗時應先__后__(選填A.釋放小車 B.接通電源)。 (3)利用紙帶求加速度時,為減小誤差,常用的計算方法為 _______。,打點計時器,B,A,逐差法,【解析】(1)實驗的操作步驟應先安裝實驗器材,再接通電源 進行實驗,完成實驗,關閉電源,取出紙帶,故正確的操作順序 為D、C、B、A。 (2)相鄰兩連續(xù)點的時間間隔T=0.02s×5=0.1s。 (3)計數(shù)點5為4和6的中間時刻,故v5= (4)為減小誤差,可充分利用數(shù)據(jù), 據(jù)s4-s1=3aT2,s5-s2=3aT2,s6-s3=3aT2, 聯(lián)立求得平均加速度a= 答案：(1)D、C、B、A (2)0.1 (3) (4),熱點2 數(shù)據(jù)處理和誤差分析 【典題2】(2012·山東高考)某同學利用圖甲所示的實驗裝置,探究物塊在水平桌面上的運動規(guī)律。物塊在重物的牽引下開始運動,重物落地后,物塊再運動一段距離停在桌面上(尚未到達滑輪處)。從紙帶上便于測量的點開始,每5個點取1個計數(shù)點,相鄰計數(shù)點間的距離如圖乙所示。打點計時器電源的頻率為50Hz。,(1)通過分析紙帶數(shù)據(jù),可判斷物塊在兩相鄰計數(shù)點 和 之間某時刻開始減速。 (2)計數(shù)點5對應的速度大小為 m/s,計數(shù)點6對應的 速度大小為 m/s。(保留三位有效數(shù)字) (3)物塊減速運動過程中加速度的大小為a= m/s2,若 用 來計算物塊與桌面間的動摩擦因數(shù)(g為重力加速度),則 計算結果比動摩擦因數(shù)的真實值 (選填“偏大”或 “偏小”)。,【解題探究】 (1)判斷物塊是否做勻變速直線運動的依據(jù)為_______。 (2)試分析物塊運動時所受阻力的來源。 提示：物塊運動時,除物塊和桌面間有摩擦力外,紙帶還受到限位孔的摩擦阻力作用。,Δx=aT2,【解析】(1)由于計數(shù)點6之前相鄰計數(shù)點之間距離之差約為 2cm,而計數(shù)點6、7之間的距離比計數(shù)點5、6之間的距離多 1.27cm,故可判斷物塊在相鄰計數(shù)點6和7之間某時刻開始減 速。 (2)計數(shù)點5對應的速度 v5= ≈1.00m/s。 物塊做加速運動時加速度大小 a加= =2.00m/s2。 則計數(shù)點6對應的速度為 v6=v5+a加T=(1.00+2.00×0.1)m/s=1.20m/s。,(3)物塊做減速運動時的加速度大小為 a= =2.00m/s2。 由牛頓第二定律得：μmg=ma, 所以μ= 由于除去物塊與桌面間的摩擦力,紙帶還受到摩擦力的作用, 故計算結果比動摩擦因數(shù)的真實值偏大。 答案：(1)6 7(或7 6) (2)1.00 1.20 (3)2.00 偏大,