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2019版高考物理必考實(shí)驗(yàn)精細(xì)精講 實(shí)驗(yàn)一 研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)學(xué)案 目錄 課前預(yù)習(xí)基礎(chǔ)落實(shí) 課堂互動(dòng)考點(diǎn)突破 【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 1．練習(xí)使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，學(xué)會(huì)用打點(diǎn)紙帶研究小車的運(yùn)動(dòng)情況。 2．會(huì)利用打點(diǎn)紙帶求勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度、加速度。 3．能畫出小車運(yùn)動(dòng)的v－t圖象，根據(jù)圖象求加速度。 【實(shí)驗(yàn)原理】 1．打點(diǎn)計(jì)時(shí)器 (1)作用：計(jì)時(shí)儀器，當(dāng)所用交流電源的頻率f＝50 Hz時(shí)，每隔0.02 s打一次點(diǎn)。 2．判斷物體是否做勻變速直線運(yùn)動(dòng)的方法 設(shè)x1、x2、x3、x4…為紙帶上相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的距離，假如Δx＝x2－x1＝x3－x2＝x4－x3＝…＝常數(shù)，則與紙帶相連的物體做勻變速直線運(yùn)動(dòng)。 3．求物體瞬時(shí)速度的方法 如圖實(shí)Ⅰ－1所示： 則vn＝。 4．求物體加速度的方法 (1)“逐差法”求加速度 如圖實(shí)Ⅰ－2所示： a1＝，a2＝，a3＝，然后取平均值，即＝，這樣使所給數(shù)據(jù)全部得到利用，以提高精確度。 (2)“圖象法”求加速度 求出紙帶上各計(jì)數(shù)點(diǎn)的瞬時(shí)速度，畫出v－t圖線，直線的斜率即表示加速度。 【實(shí)驗(yàn)器材】 打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、一端附有定滑輪的長木板、小車、細(xì)繩、鉤碼、刻度尺、電源、導(dǎo)線。 【實(shí)驗(yàn)步驟】 1．把附有滑輪的長木板放在實(shí)驗(yàn)桌上，并使滑輪伸出桌面，把打點(diǎn)計(jì)時(shí)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(xì)繩拴在小車上，細(xì)繩跨過滑輪，下邊掛上合適的鉤碼，把紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，并把它的一端固定在小車的后面。實(shí)驗(yàn)裝置見圖實(shí)Ⅰ－3所示，放手后，看小車能否在木板上平穩(wěn)地加速滑行。 3．把小車停在靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器處，先接通電源，后放開小車，讓小車拖著紙帶運(yùn)動(dòng)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器就在紙帶上打下一系列的點(diǎn)，換上新紙帶，重復(fù)三次。 4．從幾條紙帶中選擇一條比較理想的紙帶，舍掉開始一些比較密集的點(diǎn)，在后面便于測量的地方找一個(gè)開始點(diǎn)，以后依次每五個(gè)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，確定好計(jì)數(shù)始點(diǎn)，并標(biāo)明0、1、2、3、4、…，測量各計(jì)數(shù)點(diǎn)到0點(diǎn)的距離x，并記錄填入表中。 5．計(jì)算出相鄰的計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的距離x1、x2、x3、…。 6．利用一段時(shí)間內(nèi)的平均速度等于這段時(shí)間中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度求得各計(jì)數(shù)點(diǎn)1、2、3、4、5的瞬時(shí)速度，填入上面的表格中。 7．增減所掛鉤碼數(shù)，再做兩次實(shí)驗(yàn)。 【數(shù)據(jù)處理及實(shí)驗(yàn)結(jié)論】 1．由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出v－t圖象 (1)根據(jù)表格中的v、t數(shù)據(jù)，在平面直角坐標(biāo)系中仔細(xì)描點(diǎn)，如圖實(shí)Ⅰ－4可以看到，對于每次實(shí)驗(yàn)，描出的幾個(gè)點(diǎn)都大致落在一條直線上。 (2)作一條直線，使同一次實(shí)驗(yàn)得到的各點(diǎn)盡量落在這條直線上，落不到直線上的點(diǎn)，應(yīng)均勻分布在直線的兩側(cè)，這條直線就是本次實(shí)驗(yàn)的v－t圖象，它是一條傾斜的直線。 2．由實(shí)驗(yàn)得出的v－t圖象進(jìn)一步得出小車運(yùn)動(dòng)的速度隨時(shí)間變化的規(guī)律 有兩條途徑進(jìn)行分析： (1)小車運(yùn)動(dòng)的v－t圖象是一條傾斜的直線如圖實(shí)Ⅰ－5所示，當(dāng)時(shí)間增加相同的值Δt，速度也會(huì)增加相同的值Δv，由此得出結(jié)論：小車的速度隨時(shí)間均勻變化。 (2)既然小車的v－t圖象是一條傾斜的直線，那么v隨t變化的函數(shù)關(guān)系式為v＝kt＋b，所以小車的速度隨時(shí)間均勻變化。 【注意事項(xiàng)】 1．交流電源的電壓及頻率要符合要求。 2．開始釋放小車時(shí)，應(yīng)使小車靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器。 3．先接通電源，計(jì)時(shí)器工作后，再放開小車，當(dāng)小車停止運(yùn)動(dòng)時(shí)及時(shí)斷開電源。 4．小車另一端掛的鉤碼個(gè)數(shù)要適當(dāng)，避免速度過大而使紙帶上打的點(diǎn)太少，或者速度太小，使紙帶上的點(diǎn)過于密集。 5．選擇一條理想的紙帶，是指紙帶上的點(diǎn)跡清晰。適當(dāng)舍棄開頭密集部分，適當(dāng)選取計(jì)數(shù)點(diǎn)，弄清楚所選的時(shí)間間隔T。 6．測x時(shí)不要分段測量，讀數(shù)時(shí)要注意有效數(shù)字的要求，計(jì)算a時(shí)要注意用逐差法，以減小誤差。 課堂互動(dòng)考點(diǎn)突破 考點(diǎn)一　實(shí)驗(yàn)原理與操作 [例1]　 (廣東理綜)研究小車勻變速直線運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖實(shí)Ⅰ－6甲所示其中斜面傾角θ可調(diào)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的工作頻率為50 Hz，紙帶上計(jì)數(shù)點(diǎn)的間距如圖乙所示，其中每相鄰兩 點(diǎn)之間還有4個(gè)記錄點(diǎn)未畫出。 (1)部分實(shí)驗(yàn)步驟如下： A．測量完畢，關(guān)閉電源，取出紙帶 B．接通電源，待打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作穩(wěn)定后放開小車 C．將小車?？吭诖螯c(diǎn)計(jì)時(shí)器附近，小車尾部與紙帶相連 D．把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在平板上，讓紙帶穿過限位孔 上述實(shí)驗(yàn)步驟的正確順序是：________。(用字母填寫) (2)圖乙中標(biāo)出的相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)的時(shí)間間隔T＝____s。 (3)計(jì)數(shù)點(diǎn)5對應(yīng)的瞬時(shí)速度大小計(jì)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(jì)算式應(yīng)為a＝________。 [答案]　(1)DCBA　(2)0.1 (3)　(4) 針對性訓(xùn)練： 1．(佛山模擬)某同學(xué)利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測量小車做勻變速直線運(yùn)動(dòng)的加速度。 (1)電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器是一種使用________(選填“交流”或“直流”)電源的計(jì)時(shí)儀器，它的工作電壓是4～6 V，當(dāng)電源的頻率為50 Hz時(shí)，它每隔________s打一次點(diǎn)。 (2)使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，接通電源與讓紙帶隨小車開始運(yùn)動(dòng)這兩個(gè)操作過程的操作順序應(yīng)該是（ ） A．先接通電源，后釋放紙帶 B．先釋放紙帶，后接通電源 C．釋放紙帶的同時(shí)接通電源 D．哪個(gè)先，哪個(gè)后都可以 (3)實(shí)驗(yàn)中該同學(xué)從打出的若干紙帶中選取一條紙帶，如圖實(shí)Ⅰ－7所示，紙帶上按時(shí)間順序取A、B、C、D四個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，每兩個(gè)點(diǎn)之間還有四個(gè)點(diǎn)未畫出，用尺子測得相鄰各點(diǎn)間的距離為x1＝3.62 cm，x2＝4.75 cm，x3＝5.88 cm。根據(jù)紙帶數(shù)據(jù)可以判斷小車在做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，理由是___ _ (請用文字描述)； 在計(jì)數(shù)點(diǎn)C所代表的時(shí)刻，紙帶運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度是________m/s，小車的加速度是________m/s2(以上兩空小數(shù)點(diǎn)后保留兩位數(shù)字)。 解析　 (1)電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器是一種使用交流電源的計(jì)時(shí)儀器，當(dāng)電源頻率為50 Hz時(shí)，它每隔0.02 s打一次點(diǎn)。 (2)在使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，應(yīng)先接通電源，待打點(diǎn)穩(wěn)定后再釋放紙帶，A正確。 (3)當(dāng)相鄰相等時(shí)間內(nèi)的位移之差都相等時(shí)，小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)。 vC＝，T＝0.1 s 可求得vC＝0.53 m/s 由Δx＝x2－x1＝x3－x2＝aT2可得：a＝1.13 m/s2。 答案　(1)交流　0.02　(2)A　(3)相鄰相等時(shí)間內(nèi)的位移差相等　0.53　1.13 考點(diǎn)二　數(shù)據(jù)處理與誤差分析 [例2]　某同學(xué)利用圖實(shí)Ⅰ－8所示的實(shí)驗(yàn)裝置，探究物塊在水平桌面上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。物塊在重物的牽引下開始運(yùn)動(dòng)，重物落地后，物塊再運(yùn)動(dòng)一段距離停在桌面上(尚未到達(dá)滑輪處)。從紙帶上便于測量的點(diǎn)開始，每5個(gè)點(diǎn)取1個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離如圖實(shí)Ⅰ－9所示。打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源的頻率為50 Hz。 (1)通過分析紙帶數(shù)據(jù)，可判斷物塊在兩相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)________和______之間某時(shí)刻開始減速。 (2)計(jì)數(shù)點(diǎn)5對應(yīng)的速度大小為____ _ m/s，計(jì)數(shù)點(diǎn)6對應(yīng)的速度大小為_____ m/s。(保留三位有效數(shù)字) (3)物塊減速運(yùn)動(dòng)過程中加速度的大小為a＝___ m/s2。 [解析]　(1)從計(jì)數(shù)點(diǎn)1到6相鄰的相等時(shí)間內(nèi)的位移差Δx≈2.00 cm，在6、7計(jì)數(shù)點(diǎn)間的位移比5、6之間增加了(12.28－11.01) cm＝1.27 cm＜2.00 cm，因此，開始減速的時(shí)刻在計(jì)數(shù)點(diǎn)6和7之間。 (2)計(jì)數(shù)點(diǎn)5對應(yīng)的速度大小為 v5＝＝ m/s＝1.00 m/s。 計(jì)數(shù)點(diǎn)4對應(yīng)的速度大小為 v4＝＝ m/s＝0.80 m/s。 根據(jù)v5＝，得計(jì)數(shù)點(diǎn)6對應(yīng)的速度大小為v6＝2v5－v4＝(21.00－0.80) m/s＝1.20 m/s。 (3)物塊在計(jì)數(shù)點(diǎn)7到11之間做減速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)Δx＝aT2得 x9－x7＝2a1T2 x10－x8＝2a2T2 故a＝＝≈－2.00 m/s2。 [答案]　(1)6　7(或7　6)　(2)1.00　1.20　(3)2.00 針對訓(xùn)練： 2．實(shí)驗(yàn)中，如圖實(shí)Ⅰ－10所示為一次記錄小車運(yùn)動(dòng)情況的紙帶，圖中A、B、C、D、E為相鄰的計(jì)數(shù)點(diǎn)，相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔T＝0.1 s。 (1)根據(jù)紙帶可判定小車做________運(yùn)動(dòng)； (2)根據(jù)紙帶計(jì)算各點(diǎn)瞬時(shí)速度：vD＝________ m/s，vC＝________m/s，vB＝______m/s。在如圖實(shí)Ⅰ－11所示坐標(biāo)中作出小車的v－t圖線，并根據(jù)圖線求出a＝________； (3)將圖線延長與縱軸相交，交點(diǎn)的速度的物理意義是___ _____________。 解析　(1)根據(jù)紙帶提供的數(shù)據(jù)可知 xBC－xAB＝xCD－xBC＝xDE－xCD＝12.60 cm， 故小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)。 (2)根據(jù)v＝v可知 vD＝ m/s＝3.9 m/s vC＝ m/s＝2.64 m/s vB＝ m/s＝1.38 m/s 描點(diǎn)連線得如圖所示v－t圖線，根據(jù)圖線斜率知a＝12.60 m/s2。 (3)圖線與縱軸交點(diǎn)的速度的物理意義是零時(shí)刻小車經(jīng)過A點(diǎn)的速度。 答案　(1)勻加速直線　(2)3.90　2.64　1.38　見解析圖　12.60 m/s2　(3)零時(shí)刻小車經(jīng)過A點(diǎn)的速度 考點(diǎn)三　創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 1．實(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)新 (1)如果提供光電門和刻度尺，我們可以測出遮光片的寬度d，借助v＝求出物體通過光電門的速度，再由v－v＝2ax，測出物體的加速度。 (2)如果提供閃光照相機(jī)和刻度尺，我們可以用處理紙帶的方法，求出物體的瞬時(shí)速度及物體的加速度。 [例3]　光電計(jì)時(shí)器也是一種研究物體運(yùn)動(dòng)情況的常用計(jì)時(shí)儀器，其結(jié)構(gòu)如圖實(shí)Ⅰ－12甲所示，a、b分別是光電門的激光發(fā)射和接收裝置，當(dāng)有物體從a、b間通過時(shí)，光電計(jì)時(shí)器就可以精確地把物體從開始擋光到擋光結(jié)束的時(shí)間記錄下來。現(xiàn)利用圖乙所示的裝置測量滑塊和長木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)，圖中MN是水平桌面，Q是長木板與桌面的接觸點(diǎn)，1和2是固定在長木板適當(dāng)位置的兩個(gè)光電門，與之連接的兩個(gè)光電計(jì)時(shí)器沒有畫出，長木板頂端P點(diǎn)懸有一鉛錘，實(shí)驗(yàn)時(shí)，讓滑塊從長木板的頂端滑下，光電門1、2各自連接的計(jì)時(shí)器顯示的擋光時(shí)間分別為1.010－2 s和4.010－3 s。用精度為0.05 mm的游標(biāo)卡尺測量滑塊的寬度d，其示數(shù)如圖丙所示。 (1)滑塊的寬度d＝________cm。 (2)滑塊通過光電門1時(shí)的速度v1＝________m/s，滑塊通過光電門2時(shí)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(shí)速度v1和v2只是一個(gè)近似值，它們實(shí)質(zhì)上是通過光電門1和2時(shí)的________，要使瞬時(shí)速度的測量值更接近于真實(shí)值，可將________的寬度減小一些。 [解析]　(1)d＝10 mm＋0.05 mm2＝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(shí)質(zhì)上是通過光電門1和2時(shí)的平均速度，要使瞬時(shí)速度的測量值更接近于真實(shí)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．?dāng)?shù)據(jù)處理方案的創(chuàng)新 如果測得物體運(yùn)動(dòng)的位移和對應(yīng)時(shí)間。 (1)若初速度為零，則x＝at2，因此做出x－t2圖線，圖線斜率的2倍即為物體的加速度。 (2)若物體的初速度不為零，則x＝v0t＋at2，可得＝v0＋at，因此做出－t圖線，圖線斜率的2倍即為物體的加速度。 [例4]　利用圖實(shí)Ⅰ－13所示的裝置可測量滑塊在斜面上運(yùn)動(dòng)的加速度。一斜面上安裝有兩個(gè)光電門，其中光電門乙固定在斜面上靠近底端處，光電門甲的位置可移動(dòng)。當(dāng)一帶有遮光片的滑塊自斜面上滑下時(shí)，與兩個(gè)光電門都相連的計(jì)時(shí)器可以顯示出遮光片從光電門甲至乙所用的時(shí)間t。改變光電門甲的位置進(jìn)行多次測量，每次都使滑塊從同一點(diǎn)由靜止開始下滑，并用米尺測量甲、乙之間的距離s，記下相應(yīng)的t值；所得數(shù)據(jù)如下表所示。 完成下列填空和作圖：(1)若滑塊所受摩擦力為一常量，滑塊加速度的大小a、滑塊經(jīng)過光電門乙時(shí)的瞬時(shí)速度vt、測量值s和t四個(gè)物理量之間所滿足的關(guān)系式是________； (2)根據(jù)表中給出的數(shù)據(jù)，在圖實(shí)Ⅰ－14給出的坐標(biāo)紙上畫出－t圖線； (3)由所畫出的－t圖線，得出滑塊加速度的大小為a＝________ m/s2(保留兩位有效數(shù)字)。 [解析]　(1)滑塊沿斜面向下做勻加速運(yùn)動(dòng)，反過來也可以看成初速度為vt的沿斜面向上的勻減速運(yùn)動(dòng)，由位移公式有s＝vtt－at2，也可表示為＝－at＋vt。 (2)由關(guān)系式＝－at＋vt，根據(jù)表中數(shù)據(jù)可得－t圖線，如圖所示。 (3)圖線的斜率k＝－，由圖線求出k＝－1.0，故a＝－2k＝2.0 m/s2。 [答案]　(1)＝－at＋vt(或s＝－at2＋vtt) (2)見解析　(3)2.0(在1.8～2.2范圍內(nèi)都可)