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2019版高考物理必考實驗精細(xì)精講 實驗一 研究勻變速直線運動學(xué)案 目錄 課前預(yù)習(xí)基礎(chǔ)落實 課堂互動考點突破 【實驗?zāi)康摹? 1．練習(xí)使用打點計時器，學(xué)會用打點紙帶研究小車的運動情況。 2．會利用打點紙帶求勻變速直線運動的速度、加速度。 3．能畫出小車運動的v－t圖象，根據(jù)圖象求加速度。 【實驗原理】 1．打點計時器 (1)作用：計時儀器，當(dāng)所用交流電源的頻率f＝50 Hz時，每隔0.02 s打一次點。 2．判斷物體是否做勻變速直線運動的方法 設(shè)x1、x2、x3、x4…為紙帶上相鄰兩個計數(shù)點之間的距離，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動。 3．求物體瞬時速度的方法 如圖實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 求出紙帶上各計數(shù)點的瞬時速度，畫出v－t圖線，直線的斜率即表示加速度。 【實驗器材】 打點計時器、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。 【實驗步驟】 1．把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(xì)繩拴在小車上，細(xì)繩跨過滑輪，下邊掛上合適的鉤碼，把紙帶穿過打點計時器，并把它的一端固定在小車的后面。實驗裝置見圖實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(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，在后面便于測量的地方找一個開始點，以后依次每五個點取一個計數(shù)點，確定好計數(shù)始點，并標(biāo)明0、1、2、3、4、…，測量各計數(shù)點到0點的距離x，并記錄填入表中。 5．計算出相鄰的計數(shù)點之間的距離x1、x2、x3、…。 6．利用一段時間內(nèi)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1、2、3、4、5的瞬時速度，填入上面的表格中。 7．增減所掛鉤碼數(shù)，再做兩次實驗。 【數(shù)據(jù)處理及實驗結(jié)論】 1．由實驗數(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，如圖實Ⅰ－4可以看到，對于每次實驗，描出的幾個點都大致落在一條直線上。 (2)作一條直線，使同一次實驗得到的各點盡量落在這條直線上，落不到直線上的點，應(yīng)均勻分布在直線的兩側(cè)，這條直線就是本次實驗的v－t圖象，它是一條傾斜的直線。 2．由實驗得出的v－t圖象進(jìn)一步得出小車運動的速度隨時間變化的規(guī)律 有兩條途徑進(jìn)行分析： (1)小車運動的v－t圖象是一條傾斜的直線如圖實Ⅰ－5所示，當(dāng)時間增加相同的值Δt，速度也會增加相同的值Δv，由此得出結(jié)論：小車的速度隨時間均勻變化。 (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間均勻變化。 【注意事項】 1．交流電源的電壓及頻率要符合要求。 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，計時器工作后，再放開小車，當(dāng)小車停止運動時及時斷開電源。 4．小車另一端掛的鉤碼個數(shù)要適當(dāng)，避免速度過大而使紙帶上打的點太少，或者速度太小，使紙帶上的點過于密集。 5．選擇一條理想的紙帶，是指紙帶上的點跡清晰。適當(dāng)舍棄開頭密集部分，適當(dāng)選取計數(shù)點，弄清楚所選的時間間隔T。 6．測x時不要分段測量，讀數(shù)時要注意有效數(shù)字的要求，計算a時要注意用逐差法，以減小誤差。 課堂互動考點突破 考點一　實驗原理與操作 [例1]　 (廣東理綜)研究小車勻變速直線運動的實驗裝置如圖實Ⅰ－6甲所示其中斜面傾角θ可調(diào)，打點計時器的工作頻率為50 Hz，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(guān)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．將小車停靠在打點計時器附近，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(biāo)出的相鄰兩計數(shù)點的時間間隔T＝____s。 (3)計數(shù)點5對應(yīng)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(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)利用打點計時器測量小車做勻變速直線運動的加速度。 (1)電磁打點計時器是一種使用________(選填“交流”或“直流”)電源的計時儀器，它的工作電壓是4～6 V，當(dāng)電源的頻率為50 Hz時，它每隔________s打一次點。 (2)使用打點計時器時，接通電源與讓紙帶隨小車開始運動這兩個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．釋放紙帶的同時接通電源 D．哪個先，哪個后都可以 (3)實驗中該同學(xué)從打出的若干紙帶中選取一條紙帶，如圖實Ⅰ－7所示，紙帶上按時間順序取A、B、C、D四個計數(shù)點，每兩個點之間還有四個點未畫出，用尺子測得相鄰各點間的距離為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動，理由是___ _ (請用文字描述)； 在計數(shù)點C所代表的時刻，紙帶運動的瞬時速度是________m/s，小車的加速度是________m/s2(以上兩空小數(shù)點后保留兩位數(shù)字)。 解析　 (1)電磁打點計時器是一種使用交流電源的計時儀器，當(dāng)電源頻率為50 Hz時，它每隔0.02 s打一次點。 (2)在使用打點計時器時，應(yīng)先接通電源，待打點穩(wěn)定后再釋放紙帶，A正確。 (3)當(dāng)相鄰相等時間內(nèi)的位移之差都相等時，小車做勻加速直線運動。 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)相鄰相等時間內(nèi)的位移差相等　0.53　1.13 考點二　數(shù)據(jù)處理與誤差分析 [例2]　某同學(xué)利用圖實Ⅰ－8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(dá)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)點間的距離如圖實Ⅰ－9所示。打點計時器電源的頻率為50 Hz。 (1)通過分析紙帶數(shù)據(jù)，可判斷物塊在兩相鄰計數(shù)點________和______之間某時刻開始減速。 (2)計數(shù)點5對應(yīng)的速度大小為____ _ m/s，計數(shù)點6對應(yīng)的速度大小為_____ m/s。(保留三位有效數(shù)字) (3)物塊減速運動過程中加速度的大小為a＝___ m/s2。 [解析]　(1)從計數(shù)點1到6相鄰的相等時間內(nèi)的位移差Δx≈2.00 cm，在6、7計數(shù)點間的位移比5、6之間增加了(12.28－11.01) cm＝1.27 cm＜2.00 cm，因此，開始減速的時刻在計數(shù)點6和7之間。 (2)計數(shù)點5對應(yīng)的速度大小為 v5＝＝ m/s＝1.00 m/s。 計數(shù)點4對應(yīng)的速度大小為 v4＝＝ m/s＝0.80 m/s。 根據(jù)v5＝，得計數(shù)點6對應(yīng)的速度大小為v6＝2v5－v4＝(21.00－0.80) m/s＝1.20 m/s。 (3)物塊在計數(shù)點7到11之間做減速運動，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．實驗中，如圖實Ⅰ－10所示為一次記錄小車運動情況的紙帶，圖中A、B、C、D、E為相鄰的計數(shù)點，相鄰計數(shù)點間的時間間隔T＝0.1 s。 (1)根據(jù)紙帶可判定小車做________運動； (2)根據(jù)紙帶計算各點瞬時速度：vD＝________ m/s，vC＝________m/s，vB＝______m/s。在如圖實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動。 (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)圖線與縱軸交點的速度的物理意義是零時刻小車經(jīng)過A點的速度。 答案　(1)勻加速直線　(2)3.90　2.64　1.38　見解析圖　12.60 m/s2　(3)零時刻小車經(jīng)過A點的速度 考點三　創(chuàng)新實驗設(shè)計 1．實驗器材的創(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，求出物體的瞬時速度及物體的加速度。 [例3]　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)如圖實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，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?，F(xiàn)利用圖乙所示的裝置測量滑塊和長木板間的動摩擦因數(shù)，圖中MN是水平桌面，Q是長木板與桌面的接觸點，1和2是固定在長木板適當(dāng)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各自連接的計時器顯示的擋光時間分別為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＝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實質(zhì)上是通過光電門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．?dāng)?shù)據(jù)處理方案的創(chuàng)新 如果測得物體運動的位移和對應(yīng)時間。 (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Ⅰ－13所示的裝置可測量滑塊在斜面上運動的加速度。一斜面上安裝有兩個光電門，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。當(dāng)一帶有遮光片的滑塊自斜面上滑下時，與兩個光電門都相連的計時器可以顯示出遮光片從光電門甲至乙所用的時間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)過光電門乙時的瞬時速度vt、測量值s和t四個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動，反過來也可以看成初速度為vt的沿斜面向上的勻減速運動，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)