高考物理一轮复习 第1章 实验1　研究匀变速直线运动

这是一份高考物理一轮复习 第1章 实验1　研究匀变速直线运动，共11页。试卷主要包含了实验目的，实验器材等内容，欢迎下载使用。

一、实验目的
1．练习正确使用打点计时器，学会利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(Δx＝aT2)．
3．测定匀变速直线运动的加速度．
二、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、复写纸片．
考点一| 实验原理与操作
[母题] 某同学用如图实­1­1甲所示的实验装置研究匀变速直线运动．
甲 乙
图实­1­1
实验步骤如下：
A．安装好实验器材；
B．让小车拖着纸带运动，打点计时器在纸带上打下一系列小点，重复几次，选出一条点迹比较清晰的纸带，从便于测量的点开始，每五个点取一个计数点，如图乙中a、b、c、d等点；
C．测出x1、x2、x3、…
结合上述实验步骤，请你继续完成下列任务：
(1)实验中，除打点计时器(含纸带、复写纸)、小车、一端附有滑轮的长木板、细绳、钩码、导线及开关外，在下列的仪器和器材中，必须使用的有________．(填选项代号)
A．电压合适的50 Hz交流电源
B．电压可调的直流电源
C．秒表
D．刻度尺
E．天平
F．重锤
G．弹簧测力计
H．滑动变阻器
(2)如果小车做匀加速运动，所得纸带如图乙所示，则x1、x2、x3的关系是________________，已知打点计时器打点的时间间隔是t，则打c点时小车的速度大小是____________．
(3)如果小车做匀加速直线运动，测出前六段相等时间内的位移分别为x1、x2、x3、x4、x5、x6，已知打点计时器打点的时间间隔是t，则小车的加速度a的表达式为：____________.
【答案】 (1)A、D (2)x3－x2＝x2－x1 eq \f(x2＋x3,10t)
(3)a＝eq \f(x4＋x5＋x6－x1＋x2＋x3,225t2)
[借题悟法·核心点拨]
[母题迁移]
在做“研究匀变速直线运动”的实验时，为了能够较准确地测出加速度，将你认为正确的选项前面的字母填在横线上：________.
A．把附有滑轮的长木板放在实验桌上，并使滑轮伸出桌面
B．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
C．再把一条细绳拴在小车上，细绳跨过滑轮，下边挂上合适的钩码，每次必须由静止释放小车
D．把纸带穿过打点计时器，并把它的一端固定在小车的后面
E．把小车停在靠近打点计时器处，接通直流电源后，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，换上新纸带，重复三次
F．从三条纸带中选择一条比较理想的纸带，舍掉开头比较密集的点，在后边便于测量的地方找一个开始点，并把每打五个点的时间作为时间单位．在选好的开始点下面记作0，往后第六个点作为计数点1，依此标出计数点2、3、4、5、6，并测算出相邻两点间的距离
G．根据公式a1＝eq \f(x4－x1,3T2)，a2＝eq \f(x5－x2,3T2)，a3＝eq \f(x6－x3,3T2)及a＝eq \f(a1＋a2＋a3,3)求出a
ABCDFG [在实验中尽可能地保证小车做匀变速直线运动，同时也要求纸带能尽可能地直接反映小车的运动情况，既要减小运动误差也要减小纸带的分析误差．其中E项中的电源应采用交流电源，而不是直流电源．]
考点二| 数据处理与误差分析
[母题] 如图实­1­2所示，是某同学由打点计时器得到的表示小车运动过程的一条清晰纸带，纸带上两相邻计数点间还有四个点没有画出，打点计时器打点的频率f＝50 Hz，其中x1＝7.05 cm、x2＝7.68 cm、x3＝8.33 cm、x4＝8.95 cm、x5＝9.61 cm、x6＝10.26 cm.
图实­1­2
(1)下表列出了打点计时器打下B、C、F时小车的瞬时速度，请在表中填入打点计时器打下D、E两点时小车的瞬时速度．(保留三位有效数字)
(2)以A点为计时起点，在坐标图实­1­3中画出小车的速度—时间图线．
图实­1­3
(3)根据你画出的小车的速度—时间图线计算出小车的加速度a＝________m/s2.(保留两位有效数字)
(4)如果当时电网中交变电流的频率是f＝49 Hz，而做实验的同学并不知道，由此引起的系统误差将使加速度的测量值比实际值偏________．(选填“大”或“小”)
【导学号：92492047】
【答案】 (1)0.864 0.928 (2)如图所示 (3)0.63 (4)大
[借题悟法·核心点拨]
[母题迁移]
(2017·盐城模拟)在“研究匀变速直线运动的规律”的实验中，某同学获得的一条纸带如图实­1­4所示．
图实­1­4
(1)已知打点计时器的电源频率为50 Hz，则打点计时器在纸带上打下相邻两点的时间间隔为________．
(2)A、B、C、D、E、F、G是纸带上7个计数点，每两个相邻计数点间有四个点没有画出，从图中读出A、B两点间距x＝________m.
(3)C点对应的速度是________m/s，小车运动的加速度为________m/s2.(计算结果保留两位有效数字)．
(4)若实验后发现，实际所用交流电的频率高于50 Hz，则第(3)问中计算结果与实际值相比________．(填“偏大”“偏小”或“不变”)
【导学号：92492048】
【解析】 (1)打点计时器在纸带上打下相邻两点的时间间隔t＝eq \f(1,50) s＝0.02 s.
(2)由于每两个相邻计数点间还有4个点没有画出，所以相邻的计数点间的时间间隔T＝0.1 s，A、B间的距离x＝0.30 cm＝0.003 0 m.
(3)根据匀变速直线运动某段时间中间时刻的瞬时速度等于该段时间的平均速度，可以求出打下C点时小车的瞬时速度大小vC＝eq \f(0.017 0－0.005 0,2×0.1) m/s＝0.060 m/s.
根据匀变速直线运动的推论公式Δx＝aT2可以求出加速度的大小，得a＝
eq \f(xG－xF＋xF－xE＋xE－xD－xD－xC＋xC－xB＋xB－xA,9T2)＝eq \f(xG－2xD＋xA,9T2)＝0.20 m/s2.
(4)如果实验中实际所用交流电的频率高于50 Hz，那么实际打点周期变小，根据运动学公式得第(3)问中计算结果与实际值相比偏小．
【答案】 (1)0.02 s (2)0.003 0 (3)0.060 0.20 (4)偏小
考点三| 实验拓展与创新
●创新点1 利用光电计时器研究匀变速运动
1．如图实­1­5所示为测量做匀加速直线运动小车的加速度的装置，将宽度均为b的挡光片A、B固定在小车上，测得二者间的距离为d.
图实­1­5
(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)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】 (1)挡光片A经过光电门时小车的速度v1＝eq \f(b,Δt1)
挡光片B经过光电门时小车的速度v2＝eq \f(b,Δt2)
由veq \\al(2,2)－veq \\al(2,1)＝2ad可求得小车的加速度
a＝eq \f(b2,2d)eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,Δt2)))2－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,Δt1)))2)).
(2)两挡光片宽度b越小，v1、v2越接近挡光片中点的速度，两挡光片间距越大，v1和v2差值越大，测量小车加速度的误差越小，故B、C正确．
【答案】 (1)eq \f(b2,2d)eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,Δt2)))2－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,Δt1)))2)) (2)BC
●创新点2 用频闪照相法研究匀变速运动
2．某同学获得一竖直上抛小球的频闪照片(如图实­1­6所示)，已知频闪仪每隔0.05 s闪光一次，图中所标数据为实际距离．(当地重力加速度取9.8 m/s2，小球质量m＝0.2 kg，结果保留三位有效数字)
图实­1­6
(1)由频闪照片上的数据计算t4时刻小球的速度v4＝________m/s.
(2)小球上升的加速度大小约为a＝________m/s2.
(3)对(2)的数据进行分析，可得到的结论是___________________________
_____________________________________________________________.
【导学号：92492049】
【解析】 (1)做匀变速直线运动的物体，某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度，故t4时刻的瞬时速度等于t3～t5时间段的平均速度，即
v4＝eq \f(h3＋h4,2T)＝eq \f(21.16＋18.66×10－2,2×0.05) m/s＝3.98 m/s.
(2)由Δx＝aT2得，小球的加速度大小为
a＝eq \f(h1＋h2－h3＋h4,4T2)＝eq \f(26.18＋23.68－21.16＋18.66,4×0.052)×10－2 m/s2
＝10.0 m/s2.
(3)小球的加速度大于重力加速度，是由于小球上升过程中受到空气阻力的作用．
【答案】 (1)3.98 (2)10.0 (3)小球上升过程中受到空气阻力的作用
●创新点3 用滴水法研究匀变速运动
3．在暗室中用如图实­1­7所示装置做“测定重力加速度”的实验．
实验器材有：支架、漏斗、橡皮管、尖嘴玻璃管、螺丝夹子、接水铝盒、一根荧光刻度的米尺、频闪仪．
具体实验步骤如下：
图实­1­7
①在漏斗内盛满清水，旋松螺丝夹子，水滴会以一定的频率一滴滴地落下．
②用频闪仪发出的白闪光将水滴流照亮，由大到小逐渐调节频闪仪的频率直到第一次看到一串仿佛固定不动的水滴．
③用竖直放置的米尺测得各个水滴所对应的刻度．
④采集数据进行处理．
(1)实验中看到空间有一串仿佛固定不动的水滴时，频闪仪的闪光频率满足的条件是___________________________________________________
_________________________________________________________.
(2)实验中观察到水滴“固定不动”时的闪光频率为30 Hz，某同学读出其中比较远的水滴到第一个水滴的距离如图实­1­8所示，根据数据测得当地重力加速度g＝________m/s2；第8个水滴此时的速度v8＝________m/s.(结果都保留三位有效数字)
图实­1­8
(3)该实验存在的系统误差可能有(答出一条即可)：
______________________________________________________________.
【导学号：92492050】
【解析】 (1)后一水滴经过一个频闪间隔运动到前一水滴的位置，可看到仿佛固定不动的一串水滴，即频闪仪频率等于水滴滴落的频率时，水滴仿佛不动．
(2)g＝eq \f(h8－10－h6－8,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(2,f)))2)＝eq \f([43.67－26.39－26.39－13.43]×10－2,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(2,30)))2) m/s2
＝9.72 m/s2；
v8＝eq \f(h6－10,\f(4,f))＝eq \f(43.67－13.43×10－2,\f(4,30)) m/s＝2.27 m/s.
(3)存在空气阻力会对水滴的运动产生影响，水滴滴落的频率不恒定也会对实验产生影响．
【答案】 见解析
●创新点4 利用周期性运动研究匀变速直线运动
4．如图实­1­9甲所示的装置可以测量圆柱棒下落的加速度，用细线悬挂着包有白纸且质量为1.00 kg的圆柱棒，蘸有颜料的毛笔固定在电动机的飞轮上并随之在额定转速下匀速转动．烧断悬挂圆柱棒的细线后，圆柱棒竖直自由下落，毛笔就在圆柱棒外面的白纸上画出记号，如图乙所示．设毛笔接触棒时不影响棒的运动，测得记号之间的距离依次为d1＝26.0 mm、d2＝50.0 mm、d3＝74.0 mm、d4＝98.0 mm、d5＝122.0 mm、d6＝146.0 mm，已知电动机铭牌上标有“1 200 r/min”字样．根据以上内容回答下列问题：
甲 乙
图实­1­9
(1)毛笔画相邻两记号的时间间隔T＝________s.
(2)毛笔画下记号3时，圆柱棒下落的速度v3的计算公式为________(用物理量表示)，其大小v3＝________m/s；在毛笔画下记号6时，圆柱棒的速度大小v6＝___________________m/s；棒下落的加速度a＝________m/s2.
【解析】 (1)根据题意可知：毛笔画相邻两个记号的时间间隔为电动机的转动周期，已知电动机铭牌上标有“1 200 r/min”字样，即每秒转20周，所以T＝0.05 s.
(2)根据在匀变速直线运动中某段时间中间时刻的瞬时速度等于这段时间的平均速度，有v3＝eq \f(d2＋d3,2T)＝1.24 m/s，v6＝eq \f(d5＋d6,2T)＝2.68 m/s；由逐差法得加速度a＝eq \f(d4＋d5＋d6－d1＋d2＋d3,9T2)＝9.60 m/s2.
【答案】 (1)0.05 (2)v3＝eq \f(d2＋d3,2T) 1.24 2.68 9.60
视角1：原理演化(如图所示)
甲 乙
丙 丁
视角2：数据处理
(1)加速度的获得：靠重物的拉力获得加速度→长木板倾斜靠重力获得加速度．
(2)速度的测量方法：由打点纸带求速度→测定遮光片的宽度d和遮光片通过光电门的挡光时间Δt，由v＝eq \f(d,Δt)求速度．
(3)加速度的测量方法：由打点纸带利用逐差法求加速度→利用经过两个光电门的瞬时速度，由速度位移关系式求加速度.

1.两种打点计时器的不同[题干部分]
(1)电磁打点计时器使用6 V以下低压50 Hz交流电源，用振针打点，每隔0.02 s打一次点.
(2)电火花计时器使用220 V、50 Hz的交流电源，电火花打点，每隔0.02 s打一次点.
2.匀变速直线运动的判断[第(2)问第1空]
连续相等时间内的位移之差为恒量，即x2－x1＝x3－x2＝x4－x3＝…＝恒量，物体做匀变速直线运动.
3.由纸带求物体运动速度的方法[第(2)问第2空]
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vn＝eq \f(xn＋xn＋1,2T).
4.由纸带用逐差法求加速度[第(3)问]
即根据x4－x1＝x5－x2＝x6－x3＝3aT2(T为相邻两计数点之间的时间间隔)，求出a1＝eq \f(x4－x1,3T2)，a2＝eq \f(x5－x2,3T2)，a3＝eq \f(x6－x3,3T2)，再算出a1、a2、a3的平均值a＝eq \f(a1＋a2＋a3,3)＝eq \f(1,3)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(x4－x1,3T2)＋\f(x5－x2,3T2)＋\f(x6－x3,3T2)))＝eq \f(x4＋x5＋x6－x1＋x2＋x3,9T2)，即为物体的加速度.
位置
B
C
D
E
F
速度(m·s－1)
0.737
0.801
0.994
1.计时间隔的计算[题干部分]
(1)打点周期T0＝0.02 s，与计时间隔不一定相同.
(2)两计数点间有四个点没有画出，计时间隔T＝5T0＝0.1 s.
2.瞬时速度的计算和有效数字[第(1)问]
(1)瞬时速度用公式vn＝eq \f(xn＋xn＋1,2T)来计算.
(2)有效数字的位数是从左侧第1个不为零的数开始数直到右侧最后1位为止.
3.利用图象处理数据的方法[第(2)问]
(1)根据表中数据在v­t坐标系中准确描出各点.
(2)用直线将各点连接起来，不在直线上的点尽量对称地分布在直线两侧.
(3)注意图线是否过原点.
4.利用图象求解加速度的方法[第(3)问]
(1)v­t图线的斜率即为物体的加速度.
(2)选两距离较远，读数较准确的两点.
(3)a＝eq \f(Δv,Δt)，注意结果符合有效数字要求.
5.实验误差分析[第(4)问]
(1)电网频率不稳引起实验系统误差.
(2)测量数据及描点、连线作图不准引起误差.