2022年高考物理总复习第一章直线运动实验：测量做直线运动物体的瞬时速度课件

第一章实验:测量做直线运动物体的瞬时速度 一、实验器材电火花计时器(或电磁打点计时器)、一端附有定滑轮的长木板、小车、纸带、细绳、钩码、刻度尺、导线、电源、复写纸。关于打点计时器要知道以下内容:必备知识·整合作用计时仪器,每隔0.02s打一次点工作条件电磁打点计时器:连接8V交流电源电火花计时器:连接220V交流电源纸带上点的意义a.表示和纸带相连的物体在不同时刻的位置;b.通过研究纸带上各点之间的间隔,可以判断物体的运动情况 二、实验步骤1.把附有定滑轮的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长木板上没有滑轮的一端,连接好电路。2.把一条细绳拴在小车上,细绳跨过滑轮,并在绳的另一端挂上合适的钩码,把纸带穿过打点计时器,并把纸带的一端固定在小车的后面,如图所示。调整滑轮的高度,使细绳与长木板平行。 3.把小车放在靠近打点计时器处,先接通电源,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。取下纸带,换上新纸带,重复实验二次。4.从三条纸带中选择一条比较理想的纸带,舍掉开始一些比较密集的点,在后面便于测量的地方找一个开始点,以后依次隔四个点取一个计数点,确定好计数始点,并标明0、1、2、3、4…,测量各计数点到0点的距离x,并填入表中。 位置编号12345t/sx/mv/(m·s-1)5.计算出相邻的计数点之间的距离Δx1、Δx2、Δx3…6.利用一段时间内的平均速度等于这段时间中间时刻的瞬时速度求得各计数点1、2、3、4、5…的瞬时速度,填入表格中。7.增减所挂钩码个数,再做两次实验。 5.计算出相邻的计数点之间的距离Δx1、Δx2、Δx3…6.利用一段时间内的平均速度等于这段时间中间时刻的瞬时速度求得各计数点1、2、3、4、5…的瞬时速度,填入表格中。7.增减所挂钩码个数,再做两次实验。三、数据处理1.利用纸带判断物体是否做匀变速直线运动的方法(1)沿直线运动的物体在连续相等时间间隔的不同时刻的速度分别为v1、v2、v3、v4…,若v2-v1=v3-v2=v4-v3=…,则说明物体在相等时间内速度的增加量相等,由此说明物体在做匀变速直线运动,即a===…。 (2)沿直线运动的物体在连续相等时间T内的位移分别为x1、x2、x3、x4…,若Δx=x2-x1=x3-x2=x4-x3=…,则说明物体在做匀变速直线运动,且Δx=aT2。2.速度、加速度的求解方法(1)“平均速度法”求速度vn=,如图所示。 (2)“逐差法”求加速度然后取平均值,=,这样使所给数据全部得到利用,以提高准确性。(3)“图像法”求加速度由“平均速度法”求出多个点的速度,画出v-t图像,图线的斜率即加速度。说明由实验数据得出v-t图像要注意:根据表格中的v、t数据,在平面直角坐标系中仔细描点,作出一条直线,使同一次实验得到的各点尽量落到这条直线上,落不到直线上的点应均匀分布在直线两 侧,这条直线就是本次实验得到的v-t图像,它是一条倾斜的直线,如图所示。四、误差分析1.根据纸带测量的位移有误差。2.电源频率不稳定,造成相邻两点的时间间隔不完全相等。3.纸带运动时打点不稳定引起测量误差。4.用作图法,作出的v-t图线并不是一条直线。5.木板的粗糙程度并非完全相同,这样测量得到的加速度只能是所测量段的平均加速度。 关键能力·突破考点一　实验原理和实验操作1.在“研究匀变速直线运动”的实验中。(1)电火花计时器是使用交流(填“直流”或“交流”)电源的仪器,当电源频率是50Hz时每隔0.02s打一次点。(2)根据打点计时器打出的纸带,我们可以从纸带上直接测得的物理量是AB。 A.时间间隔B.位移C.瞬时速度D.平均速度(3)在“研究匀变速直线运动”的实验中,打点计时器使用的交流电源的频率为50Hz,记录小车运动的纸带如图所示。在纸带上依次选择6个实际点A、B、C、D、E、F,各相邻两点间的距离依次是2.0cm、3.0cm、4.0cm、5.0cm、6.0cm。根据学过的知识可以求出打B点时小车的速度为vB=1.25m/s,C、E间的平均速度为2.25m/s。 解析(1)电火花计时器使用交流电源,当电源频率是50Hz时每隔0.02s打一次点。(2)根据打点计时器打出的纸带,可以从纸带上直接测得的物理量是时间间隔和位移,故选A、B;(3)打B点时小车的速度为vB==m/s=1.25m/sC、E间的平均速度为vCE==m/s=2.25m/s。 2.(2019课标Ⅰ,22,5分)某小组利用打点计时器对物块沿倾斜的长木板加速下滑时的运动进行探究。物块拖动纸带下滑,打出的纸带一部分如图所示。已知打点计时器所用交流电的频率为50Hz,纸带上标出的每两个相邻点之间还有4个打出的点未画出。在A、B、C、D、E五个点中,打点计时器最先打出的是A点。在打出C点时物块的速度大小为0.233m/s(保留3位有效数字);物块下滑时的加速度大小为0.75m/s2(保留2位有效数字)。 解析物块沿倾斜的木板加速下滑时,纸带上打出的点逐渐变稀疏,故A点为先打出的点。vC==m/s=0.233m/sa==m/s2≈0.75m/s2 注意事项(1)平行:纸带和细绳要和木板平行。(2)两先两后:实验中应先接通电源,后让小车运动;实验完毕应先断开电源,后取下纸带。(3)防止碰撞:在到达长木板末端前应让小车停止运动,要防止钩码落地和小车与滑轮相撞。(4)纸带选取:选择一条点迹清晰的纸带,舍弃点密集部分,适当选取计数点。 (5)准确作图:根据表格中的v、t数据,在坐标纸上纵、横轴选取合适的单位及标度仔细描点,作出一条直线,使同一次实验得到的各点尽量落到这条直线上,落不到直线上的点应均匀分布在直线的两侧。 考点二　实验数据处理和误差分析1.(1)用游标卡尺测量小球的直径如图甲、乙所示。测量方法正确的是甲(选填“甲”或“乙”)。 (2)用螺旋测微器测量合金丝的直径,如图丙,此示数为6.700mm。丙(3)在“用打点计时器测速度”的实验中,交流电源频率为50Hz,打出一段纸带如图丁所示。在纸带上打下计数点2时的瞬时速度v=0.36m/s。若实验时交流电源频率大于50Hz,则在纸带上打下计数点2的实际速度大于(选填“大于”“小于”或“等于”)测量速度。 丁解析(1)甲、乙两图中夹小球的两个测量爪为外测量爪,测小球的外径,乙测量的比小球直径小,所以甲正确。(2)由螺旋测微器的读数方法,可知d=6.5mm+20.0×0.01mm=6.700mm。(3)在纸带上打下计数点2的瞬时速度v==m/s=0.36m/s;而v==,若f>50Hz,则实际速度大于测量速度。 2.[误差分析]在做“研究匀变速直线运动”的实验中:(1)实验室提供了以下器材: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、交流电源、复写纸、弹簧测力计。其中在本实验中不需要的器材是弹簧测力计。(2)如图甲所示是某同学用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,打点计时器打点的时间间隔T=0.02s,其中x1=7.05cm、x2=7.68cm、x3=8.33cm、x4=8.95cm、x5=9.61cm、x6=10.26cm。 甲表列出了打点计时器打下点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。位置BCDEF速度/(m·s-1)0.7370.8010.8640.9280.994 (3)以A点为计时起点,在坐标图乙中画出小车的速度-时间图线。乙 答案如图所示 (4)根据所画出的小车的速度-时间图线计算出小车的加速度a=0.625(0.61~0.63)m/s2。(5)如果当时电网中交变电流的频率是f=49Hz,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大(填“大”或“小”)。 解析(1)本实验中不需要测量力的大小,因此不需要的器材是弹簧测力计。(2)根据匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度可得vD==m/s=0.864m/s同理可得vE=0.928m/s。(3)根据数据描点连线,作出小车的速度-时间图线,如图所示。 (4)在v-t图像中,图线的斜率表示加速度,则a==m/s2=0.625m/s2。(5)加速度a==Δx·f2,因为实际频率低于50Hz,而计算时代入的仍是50Hz,所以会造成测量值比真实值偏大。 在进行纸带数据的计算时,应注意以下几点(1)弄清纸带中已知的是计时点还是计数点,若是计数点,则相邻计数点间的时间间隔是多少;(2)弄清题中已知的距离是相邻计数点间的距离还是每个计数点到第一个计数点间的距离,若是后者应换算成相邻计数点间的距离再代入原理公式计算;(3)计算时注意将单位化为国际单位制中的单位;(4)注意题中要求保留几位小数或有效数字。 考点三　实验拓展和实验创新1.情景拓展 2.改进获取数据的方法(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=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。 例1(2020江苏单科,11,10分)疫情期间“停课不停学”,小明同学在家自主开展实验探究。用手机拍摄物体自由下落的视频,得到分帧图片,利用图片中小球的位置来测量当地的重力加速度,实验装置如图1所示。图1 (1)家中有乒乓球、小塑料球和小钢球,其中最适合用做实验中下落物体的是小钢球。(2)下列主要操作步骤的正确顺序是①③④②。(填写各步骤前的序号)①把刻度尺竖直固定在墙上②捏住小球,从刻度尺旁静止释放③手机固定在三脚架上,调整好手机镜头的位置④打开手机摄像功能,开始摄像(3)停止摄像,从视频中截取三帧图片,图片中的小球和刻度如图2所示。已知所截取的图片相邻两帧之间的时间间隔为s,刻度尺的分度值是1mm,由此测得重力加速度为9.612(9.5~9.7均可)m/s2。 图2(4)在某次实验中,小明释放小球时手稍有晃动,视频显示小球下落时偏离了竖直方向。从该视频中截取图片,仍能(选填“仍能”或“不能”)用(3)问中的方法测出重力加速度。 解析(1)自由落体实验中要求小球所受空气阻力远小于其重力,故应选用小钢球。(2)①③为实验前的准备工作,应以刻度尺位置为参照调整镜头位置,故①在③前。先开始摄像,再释放小球,可顺利获得小球下落过程的录像,故④在②前。(3)由题图2可得h1=26.50cm-2.50cm=24.00cm,h2=77.20cm-26.50cm=50.70cm,由g=,解得g=9.612m/s2。(4)由于晃动,小球下落时偏离竖直方向,竖直分运动仍为自由落体运动,利用竖直分运动求解,结果不受影响。 例2某同学研究在固定斜面上运动物体的平均速度、瞬时速度和加速度之间的关系。使用的器材有:斜面、滑块、长度不同的矩形挡光片、光电计时器。实验步骤如下:①如图(a),将光电门固定在斜面下端附近;将一挡光片安装在滑块上,记下挡 光片前端相对于斜面的位置,令滑块从斜面上方由静止开始下滑;②当滑块上的挡光片经过光电门时,用光电计时器测得光线被挡光片遮住的时间Δt;③用Δs表示挡光片沿运动方向的长度[如图(b)所示],表示滑块在挡光片遮住光线的Δt时间内的平均速度大小,求出;④将另一挡光片换到滑块上,使滑块上的挡光片前端与①中位置相同,令滑块由静止开始下滑,重复步骤②、③;⑤多次重复步骤④;⑥利用实验中得到的数据作出-Δt图,如图(c)所示。 图(c)完成下列填空: (1)用a表示滑块下滑的加速度大小,用vA表示挡光片前端到达光电门时滑块的瞬时速度大小,则与vA、a和Δt的关系式为=vA+Δt。(2)由图(c)可求得,vA=52.1cm/s,a=16.3cm/s2。(结果保留3位有效数字) 解析(1)挡光片通过光电门的平均速度等于Δt时间段的中间时刻的速度由v=v0+at可知=vA+a(2)由=vA+a·Δt结合题图(c)可知vA=52.13cm/s≈52.1cm/s图(c)中图线的斜率k=a,故滑块的加速度a=2k=16.3cm/s2 例3某探究小组为了研究小车在桌面上的直线运动,用自制“滴水计时器”计量时间。实验前,将该计时器固定在小车旁,如图(a)所示。实验时,保持桌面水平,用手轻推一下小车。在小车运动过程中,滴水计时器等时间间隔地滴下小水滴,图(b)记录了桌面上连续的6个水滴的位置。(已知滴水计时器每30s内共滴下46个小水滴) (1)由图(b)可知,小车在桌面上是从右向左(填“从右向左”或“从左向右”)运动的。(2)该小组同学根据图(b)的数据判断出小车做匀变速运动。小车运动到图(b)中A点位置时的速度大小为0.19m/s,加速度大小为0.037m/s2。(结果均保留2位有效数字) 解析(1)由于小车获得速度后在摩擦力作用下减速运动,故相邻水滴间的距离逐渐减小,结合图(b)可知小车向左运动。(2)由题意知,30s内滴下46滴水,共45个时间间隔,故相邻两滴水的时间间隔T=s=s。由匀变速直线运动中平均速度等于中间时刻的瞬时速度可得vA=mm/s=0.19m/s。由逐差法得小车运动的加速度为a=mm/s2=0.037m/s2。 解题感悟高考实验题一般源于教材而不拘泥于教材,常常在教材实验的基础上创设新情景,从原理迁移和数据处理技巧方面进行创新。因此,要在掌握基础实验的基础上注意迁移创新能力的培养,善于用教材中实验的原理、方法和技巧解决新问题。