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高中物理1 实验:探究小车速度随时间变化的规律同步训练题
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这是一份高中物理1 实验:探究小车速度随时间变化的规律同步训练题,共14页。试卷主要包含了实验等内容,欢迎下载使用。
1.实验:探究小车速度随时间变化的规律
自主学习探新知
一、实验目的
1.进一步练习使用打点计时器。
2.能从纸带上获取实验数据计算各点的瞬时速度。
3.学会用图像法处理实验数据,并能根据图像描述小车运动速度随时间的变化规律。
知识储备
1.利用纸带计算瞬时速度以纸带上某点为中间时刻取一小段位移,用这段位移内的 表示这点的瞬时速度。
2.用v-t图像表示小车的运动情况以速度v为 、时间t为 建立直角坐标系,用描点法画出小车的v-t图像,图线的 表示加速度的大小,如果v-t图像是一条倾斜的直线,说明小车的速度是 的。
3.实验器材
为了探究小车的速度随时间的变化关系,把还需要的实验器材填入下面的横线上。
器材:电磁打点计时器(或电火花计时器)、复写纸、导线、小车、纸带、细绳、槽码、 、 、带有定滑轮的长木板。
4.进行实验
(1)如图所示,把一端附有定滑轮的长木板平放在实验桌上,并使滑轮伸出桌面,打点计时器固定在长木板 的一端,连接好电路。
(2)把一条细绳拴在小车上,使细绳跨过滑轮,下面挂上适当的槽码,把纸带穿过打点计时器,并把纸带的一端连在小车的后面。
(3)把小车停在 打点计时器的位置,先 ,后 (选填“接通电源”或“释放小车”),让小车拖着纸带运动,打点计时器就在纸带上打下一行小点,随后立即关闭电源。
(4)换上新纸带,重复操作两次。
五、数据分析
1.采集数据
如图所示,一般不是直接测量相邻两个计数点间的距离,而是先测量出各个计数点到计时零点的距离、、、、,再计算出相邻的两个计数点间的距离。,,,,。
2.求各计数点的瞬时速度
(1)各计数点对应的瞬时速度用平均速度来代替,即,,…为相邻两个计数点间的时间间隔,若交流电源频率为,每5个点取一个计数点(中间隔4个点),则。
(2)设计表格并记录相关数据,根据表格数据,分析速度随时间的变化。
3.作出小车运动的图像
(1)以速度为纵轴,为横轴。
(2)定标度:坐标轴的标度选取要合理,应使图像大致布满坐标纸。
(3)描点:在坐标纸上描出各个坐标点的位置。
(4)连线:用一条平滑的曲线或直线“拟合”这些点。
5.分析数据并求出加速度
(1)如果画出的v-t图像是一条倾斜的直线,说明小车做速度均匀变化的直线运动, 表示开始计时时小车的速度。
(2)求出小车的加速度。
在v-t图像上任意取两个间隔较远的点(这两个点不一定是我们表格中已测得的点),找出它们的坐标值,然后把它们的坐标值代入公式a= 中求出加速度,即用图线的斜率求加速度。
6.注意事项:
(1)开始释放小车时,应使小车 (选填“靠近”或“远离”)打点计时器。
(2)先 ,等打点稳定后,再 。(均选填“接通电源”或“释放小车”)
(3)打点完毕,立即关闭电源。
(4)选取一条点迹清晰的纸带,舍掉开头点迹密集部分,选取适当的计数点(注意计数点与计时点的区别),弄清楚所选的时间间隔T等于多少。
(5)不要分段测量各段距离,应尽可能地一次测量完毕(可统一量出各计数点到计数起点0之间的距离)。
(6)在坐标纸上画v-t图像时,注意坐标轴单位长度的选取,应使图像大致布满坐标纸。
互动探究解疑难
一、实验原理与操作
[例1]
7.在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中,(1)实验室提供了以下器材:电火花打点计时器、一端附有滑轮的长木板、小车、纸带、细绳、钩码、刻度尺、交流电源、秒表、弹簧测力计.其中在本实验中不需要的器材是
.
(2)按照实验进行的先后顺序,将下述步骤的代号填在横线上 .
A.把穿过打点计时器的纸带固定在小车后面
B.把打点计时器固定在木板没有滑轮的一端,并连接好电路
C.换上新的纸带,再重做两次
D.把长木板平放在实验桌上,并使滑轮伸出桌面
E.使小车停在靠近打点计时器处,接通电源,放开小车,让小车运动
F.把一条细绳拴在小车上,细绳跨过定滑轮,下边吊着合适的钩码
G.断开电源,取出纸带
误差分析
(1)木板的粗糙程度不同会产生系统误差,实验中应尽量选用粗糙程度均匀的木板。
(2)根据纸带测量位移时会产生偶然误差,实验中应一次性测量各计数点到起始点的距离。
(3)作图像时单位选择不合适或作图不准确会带来偶然误差,实验中应选取合适的坐标单位。
二、实验数据处理
[例2]
8.在“探究小车速度随时间变化的规律”实验中,打点计时器使用的交流电源的频率为50Hz,记录小车运动的一段纸带如图1所示,在纸带上选择A、B、C、D、E、F六个计数点,相邻两计数点之间还有四个点未画出.
(1)由纸带提供的数据求出打下C、E点时的小车的速度,填入下表:
(2)根据上表中的数据,在图2中作出小车运动的v﹣t图象 .
(3)根据作出的v-t图象可得小车运动的加速度为 m/s2.
方法总结
数据处理的注意事项
(1)处理纸带时,一定要分清计时点和计数点,搞清计数点之间的时间间隔。
(2)利用极限思想将平均值过渡到瞬时值是物理学中常用的方法。纸带上某点的瞬时速度等于以此点为中间时刻的前、后相邻两点间的平均速度。
(3)标度的选择要结合数据及其分布特点制定,以使图像在坐标系中合理分布,大小适中。
三、创新型实验
[例3]
9.在探究“小车速度随时间变化的规律”的实验中,打点计时器接在的低压交流电源上,某同学在打出的纸带上每5个点取一个计数点,共取了A、B、C、D、E、F六个计数点,如图甲所示。从每一个计数点处将纸带剪开分成五段(分别为、、、、段),将这五段纸带由短到长紧靠,但不重叠地粘在坐标系中,如图乙所示,由此可以得到一条表示关系的图线。
(1)请在图乙中用最简洁的方法作出能表示v-t关系的图线 (作答在图上),其 (填“x”或“y”)轴相当于v轴。
(2)从第一个计数点开始计时,为求出0.15 s时刻的瞬时速度,需要测出 (填“a、b、c、d、e”中的一个)段纸带的长度。
(3)若测得a段纸带的长度为2.0 cm,e段纸带的长度为10.0 cm,则可求出加速度的大小为 m/s2.
随堂巩固促应用
10.在“探究小车速度随时间变化的规律”实验中,下列做法不能减小实验误差的是( )
A.选取计数点,把每打五个点的时间间隔作为一个时间单位
B.使小车运动的加速度尽量小些
C.舍去纸带上密集的点,只利用点迹清晰、点间间隔适当的一部分进行测量、计算
D.选用各处平整程度、光滑程度相同的长木板做实验
11.在研究匀变速直线运动的实验中,算出小车经过各计数点的瞬时速度如下:
为了计算加速度,合理的方法是( )
A.根据任意两计数点的速度,用公式算出加速度
B.根据实验数据画出v—t图像,量出其倾角α,由公式a = tanα求出加速度
C.根据实验数据画出v—t图像,由图像上相距较远的两点所对应的速度、时间,用公式算出加速度
D.依次算出通过连续两计数点间的加速度,算出平均值作为小车的加速度
12.某同学在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中,用打点计时器记录了被小车拖动的纸带的运动情况,在纸带上确定出0、1、2、3、4、5、6共7个测量点。其与0点间的距离如图所示,每两个相邻的测量点之间的时间间隔为0.10 s,试完成下面问题。
(1)根据纸带上各个测量点间的距离,某同学已将1、2、3、5点对应的时刻的瞬时速度进行计算并填入表中,请你将4点对应的时刻的瞬时速度填入表中。(要求保留三位有效数字)
(2)在如图所示的直角坐标系中画出小车的瞬时速度随时间变化的关系图线 。
(3)由图像求出小车的加速度a= m/s2。
13.某同学利用滴水法研究小车的运动。如图甲所示,装入墨水的注射器固定在小车左侧(滴水针头接近地面),小车放在水平面上,给小车一个初速度,水平面上记录了A、B、C、D、E、F、G连续7个墨迹的位置,相邻墨迹之间的距离如图乙所示。已知注射器每隔0.1s滴一滴墨水。
(1)试根据图乙墨迹之间的距离,算出小车运动到D点时的瞬时速度,并将在D点速度值填入下表。(保留2位有效数字)
(2)将B、C、D、E、F、各个时刻的瞬时速度标在图丙所示的坐标纸上,并画出小车的瞬时速度随时间变化的关系图线 。
(3)根据第(2)问中画出的v-t图线,求出小车运动的加速度为 m/s2。(保留2位有效数字)
(4)根据图像可以求出0时刻的初速度vA= m/s。
14.某学习小组在“研究匀变速直线运动”的实验中,用如图所示的气垫导轨装置来测滑块的加速度,窄遮光板的宽度为d,窄遮光板依次通过两个光电门的时间分别为、,通过两光电门间的时间间隔为。
(1)窄遮光板通过两个光电门的瞬时速度分别为 , 。(用题中所给物理量表示)
(2)滑块的加速度可以表示为 (用题中所给物理量表示)。
位置编号
0
1
2
3
4
5
6
时间
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
计数点序号
B
C
D
E
计数点对应的时刻t/s
0
0.1
0.2
0.3
通过计数点时小车的速度v/m•s﹣1
0.25
0.45
计数点序号
1
2
3
4
5
6
计数点对应的时刻/s
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
通过计数点时的速度/(cm·s-1)
44.0
62.0
81.0
100.0
110.0
168.0
瞬时速度
v1
v2
v3
v4
v5
数值/(m·s-1)
0.165
0.214
0.263
0.363
时刻/s
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
速度
vB
vC
vD
vE
vF
数值/(m/s)
0.40
0.48
0.64
0.72
参考答案:
1.平均速度 2. 纵轴 横轴 倾斜程度 均匀变化
【解析】1.[1]用这段位移内的平均速度表示这点的瞬时速度。
2.[1][2][3][4]用v-t图像表示小车的运动情况以速度v为纵轴、时间t为横轴,建立直角坐标系,用描点法画出小车的v-t图像,图线的倾斜程度表示加速度的大小,如果v-t图像是一条倾斜的直线,说明小车的速度是均匀变化的。
3. 刻度尺 低压交流电源
【详解】[1][2]为了探究小车的速度随时间的变化关系,还需要用刻度尺测量计数点间的距离,以及电磁打点计时器需要使用低压交流电源。
4. 没有滑轮 靠近 接通电源 释放小车
【详解】(1)[1]打点计时器应固定在长木板没有滑轮的一端;
(3)[2][3][4]在释放小车之前,应把小车停在靠近打点计时器的位置,先接通电源,后释放小车。
5. 图像和纵轴的交点
【详解】[1]根据速度时间关系
可知,v-t图像是一条倾斜的直线,图像和纵轴的交点表示小车的初速度v0。
[2]根据v-t图像的斜率表示加速度,所以
6. 靠近 接通电源 释放小车
【详解】[1]开始释放小车时,应使小车靠近打点计时器;
[2][3]打点计时器使用时应先接通电源,后释放小车。
7. 弹簧测力计、秒表 DBFAEGC
【详解】(1)测量的是位移等运动学量,与力无关,故无需弹簧测力计;时间可以由纸带上的点数和打点频率算出,故不需要秒表.
(2)正确的实验步骤:把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木板没有滑轮的一端,并连接好电路;把一条细绳拴在小车上,细绳跨过定滑轮;另一端吊合适的钩码;把穿过打点计时器的纸带固定在小车后面,使小车停在靠近打点计时器处,先接通电源,再放开小车,让小车运动;打完一条纸带,断开电源,取下纸带,换上新纸带,再重做两次,即顺序为DBFAEGC.
8. 0.35m/s 0.55m/s 如图所示:
1 m/s2
【分析】(1)根据某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度可以求出C、E的瞬时速度;
(2)根据各点的瞬时速度作出v-t图线;
(3)根据速度时间图线的斜率求出小车运动的加速;
【详解】(1)根据某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度可以求出C、E的瞬时速度,相邻两计数点之间还有四个点未画出,
则C的速度为:
则E点速度为:;
(2)画出的v-t图象应为一条倾斜直线,小车的速度时间图线如图所示.
(3)由图象的斜率可求得加速度为:.
【点睛】解决本题的关键掌握纸带的处理方法,会通过纸带求解瞬时速度和加速度,关键是匀变速直线运动推论的运用.
9. y b 2##2.0
【详解】(1)[1][2]分别取、、、、五段的上方中点,并连线,得到的图线即为图线,如图所示,轴相当于轴;
(2)[3]t=0.15s是BC时间段的中间时刻,要求t=0.15s时的瞬时速度,只需要测段纸带的长度,然后用
求得的平均速度即可认为是t=0.15s时刻的瞬时速度;
(3)[4]a、e段各自中间时刻的速度分别为
根据
得
10.B
【详解】A.该方法选取计数点可以使用于测量和计算的相邻点间的间隔增大,在用直尺测量这些点间的间隔时,在一次测量绝对误差基本相同的情况下,相对误差较小,A正确,不符合题意;
B.在实验中,如果小车运动的加速度过小,打出的点很密,长度测量的相对误差较大,测量准确度会降低,因此小车的加速度略大一些较好,B错误,符合题意;
C.为了减小长度测量的相对误差,舍去纸带上过于密集,甚至分辨不清的点是必要的,C正确,不符合题意;
D.如果实验中所用长木板各部分的平整程度和光滑程度不同,小车的速度变化会不均匀,从而导致实验误差的增大,因此在实验前对所用长木板进行挑选、检查是必要的,D正确,不符合题意。
故选B。
11.C
【详解】AC.在处理实验数据时,如果只使用其中两个数据,由于偶然误差的存在可能会造成最后误差较大;所以我们可以根据实验数据画出v—t图像,考虑到误差,不可能是所有点都整齐的排成一条直线,连线时,应该尽量使那些不能画在线上的点均匀地分布在线的两侧,这样图线上会舍弃误差较大的点,由图线上任意两点所对应的速度及时间,用公式算出加速度,所以误差小,故A错误、C正确;
B.根据实验数据画出v—t图像,当纵坐标取不同的标度时,图像的倾角就会不同,所以量出其倾角,用公式a = tanα算出的数值并不是加速度,故B错误;
D.这种方法是不对的,因为依次算出通过连续两计数点间的加速度再算出平均值,实质还是仅用了两个计数点的速度,偶然误差较大,故D错误。
故选C。
12. 0.314 0.500
【详解】(1)[1]根据匀变速直线运动中间时刻瞬时速度等于该过程平均速度可得4点对应的时刻的瞬时速度
(2)[2]根据描点法作图
(3)[3]根据图像得
13.(1)0.56
(2)
(3)0.80(0.78~0.84均可)
(4)0.32(0.30~0.34均可)
【详解】(1)小车运动到D点时的瞬时速度为
(2)将B、C、D、E、F、各个时刻的瞬时速度标在图丙所示的坐标纸上,并画出小车的瞬时速度随时间变化的关系图线,如图所示
(3)小车运动的加速度为
(4)图线与纵轴的交点为0时刻的初速度,所以。
14.
【详解】(1)[1][2]通过两个光电门的时间极短,可以用平均速度表示瞬时速度,滑块经过两个光电门瞬时速度分别为
(2)[3]根据
可知滑块的加速度为
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