专题一 测量做直线运动物体的瞬时速度—2021届高中物理一轮复习暑假专题学案(实验)

一轮复习暑假实验专题一--测量做直线运动物体的瞬时速度
一、实验目的
1.练习使用打点计时器,学会用打点纸带探究小车速度随时间变化的规律。

2.会利用打点纸带测量匀变速直线运动的速度和加速度。

3.能画出小车运动的v-t图象,会根据图象求加速度。

二、实验原理
1.打点计时器
(1)打点时间:当电源频率为50 Hz时,每隔0.02 s打一次点。

(2)工作电源:电磁打点计时器的工作电源为4 V~6 V交流电源;电火花计时器的工作电源为220 V交流电源。

2.求瞬时速度的方法
纸带如图所示,若打点时间间隔为T,则v
=。

n
3.求加速度的方法
(1)“逐差法”求加速度：利用公式Δx=aT2可得a=。

(2)“图象法”求加速度：利用纸带求出各点的瞬时速度,画出v-t图象,求出图线的斜率即加速度。

三、实验器材：小车、细线、一端附有定滑轮的长木板、钩码、纸带、交流电源、导线,还需要打点计时器和刻度尺。

四、实验步骤
1.把一端附有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.把细线拴在小车上,使细绳跨过滑轮,下面挂上合适的钩码,然后把纸带穿过打点计时器,并把纸带的另一端固定在小车后面。

3.把小车停在靠近打点计时器处,先接通电源,然后放开小车,让小车拖着纸带运动,打完一条纸带后立即关闭电源,再取下纸带。

4.换上新纸带,重复操作三次。

5.选择一条比较理想的纸带,舍掉开始一些比较密集的点,在便于测量的地方选择合适
的计数点,依次标明0、1、2、3、4、5、6,测量各点之间的间距填入下表中。

6.依次求出计数点1、2、3、4、5对应的瞬时速度,填入表中。

计数点0 1 2 3 4 5 6
从0到该计数点长度/m x
1x
2
x
3
x
4
x
5
x
6
各段长度/m
0~2 1~3 2~4 3~5 4~6 5~7
速度/(m·s-1)
五、数据处理
1.图象法:先利用打点计时器打点的等时性,根据中间时刻的瞬时速度等于平均速度可
以计算各点的瞬时速度,v
1=、v
2
=、v
3
=、…、v
n
=。

然后用描点法画出v-t
图象,再计算图线的斜率即加速度。

2.逐差法:利用公式a
1=、a
2
=、a
3
=,再取平均值=。

例1.在“探究小车速度随时间变化规律”的实验中。

(1)从下列器材中,选出实验所需的器材;为达到实验目的,还需。

①打点计时器;②天平;③低压直流电源;④细绳;⑤纸带;⑥小车;⑦钩码;⑧秒表;⑨一端有滑轮的长木板。

(2)下列操作中正确的有。

(填选项代号)
A.通过调节,使小车、纸带、细绳和定滑轮上边缘在一条直线上
B.坐标轴单位长度越小越好
C.开始前要先接通电源后松开纸带,打完点要先断开电源后取纸带
D.钩码的质量越大越好
数字计时器与光电门的应用
数字计时器可以记录物体经过光电门时遮光片挡光的时间。

由于遮光片很窄,可以用遮光片的宽度除以遮光时间作为物体通过光电门时的瞬时速度,因此可以用来解决一些有关速度与加速度的问题。

例2.某同学使用有透光狭缝的钢条和光电计时器的装置测量重力加速度,如图甲所示。

在钢条下落过程中,钢条挡住光源发出的光时计时器开始计时,透光时停止计时,若再次
挡光,计时器将重新开始计时。

实验中该同学将钢条竖直置于一定高度(下端A高于光控
开关),由静止释放,测得先后两段挡光时间t
1和t
2。

(1)用游标卡尺测量AB、AC的长度,其中AB的长度如图乙所示,其值为mm。

(2)若狭缝宽度不能忽略,则该同学利用=,=,g=及相关测量值得到的
重力加速度值比其真实值(选填“偏大”或“偏小”),其原因
是。

课堂练习
1.(2018江西临川一中高三调研)用如图所示的装置做“探究小车速度随时间变化的规律”实验,下列做法正确的是( )。

A.小车从靠近定滑轮处释放
B.先启动计时器,再释放小车
C.实验前要平衡小车受到的阻力
D.电火花计时器接学生电源直流输出端
2.某同学测定匀变速直线运动的加速度时,得到了在不同拉力下的a、b、c、d等几条较为理想的纸带,并在纸带上每5个点取一个计数点,即相邻两计数点间的时间间隔为0.1 s,将每条纸带上的计数点都记为0、1、2、3、4、5、…,如图所示A、B、C三段纸带,分别是从三条不同纸带上撕下的,其中属于纸带a的是( )。

3.(2018安徽淮南二模)(多选)在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中,对于减小实验误差来说,下列方法中有益的是( )。

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、点间间隔适当的那一部分进行测量、计算
D.选用各处平整程度、光滑程度相同的长木板做实验
4.(多选)图示为同一打点计时器打出的两条纸带,由纸带可知( )。

A.在打下计数点“0”至“5”的过程中,纸带甲的平均速度比乙的大
B.在打下计数点“0”至“5”的过程中,纸带甲的平均速度比乙的小
C.纸带甲的加速度比乙的大
D.纸带甲的加速度比乙的小
5.(2019长春市实验中学高三监测)利用打点计时器可测量匀变速直线运动物体的瞬时速度和加速度,如图所示为研究一个匀加速直线运动的物体,利用打点计时器所打出的纸带,打点计时器所用交流电源的频率为50 Hz,图中A、B、C、D、E为所选取的五个连续相邻的计数点,相邻两个计数点间均有四个点没有标出,B、C、D、E四点与A点的距离标在图中,利用图中数据可知对应计数点B时物体的速度大小为m/s,物体加速度大小为m/s2。

(结果保留3位有效数字)
6.(2017全国卷Ⅱ,22)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如图甲,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(如图乙所示),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②③;
⑤多次重复步骤④;
⑥利用实验中得到的数据作出-Δt图,如图丙所示。

完成下列填空:
表示挡光片前端到达光电门时滑块的瞬时速(1)用a表示滑块下滑的加速度大小,用v
A
度大小,则与v
、a和Δt的关系式为= 。

A
= cm/s,a= cm/s2。

(结果保留3位有效数字) (2)由图丙可求得,v
A
一轮复习暑假实验专题一--- 测量做直线运动物体的瞬时速度
参考答案
例1. (1)打点计时器是一种计时仪器,所用电源为交流电,因此③⑧不用选,但实验还需低压交流电源,钩码的质量在实验中不用测量,因此②不用选。

(2)实验中要调节滑轮的高度使小车、纸带、细绳和定滑轮上边缘在一条直线上,这样可以减小摩擦,A项正确;要适当地选取坐标轴的单位长度使图象尽量分布在较大的坐标平面内,所以B项错误;开始前要先接通电源后松开纸带,打完点要先断开电源后取纸带,这样可以使实验效果更好,所以C项正确;钩码的质量要适中,不要太大也不要太小,以100 g左右为宜,所以D项错误。

答案：(1)①④⑤⑥⑦⑨交流电源(2)AC
例2. (1)游标卡尺的主尺读数为74 mm,游标尺上第3个刻度和主尺上某一刻度对齐,所以游标读数为3×0.1 mm=0.3 mm,所以最终读数为74 mm+0.3 mm=74.3 mm。

(2)若狭缝宽度不能忽略,A到C的实际时间大于t
1+t
2
,所以测量得到的重力加速度
值比其真实值偏大,原因为狭缝通过计时器的时间未计。

答案：(1)74.3 (2)偏大未计狭缝通过光电计时器的时间
课堂练习
1.B 在释放小车前,小车应尽量靠近打点计时器,远离滑轮处,以便在纸带上打出更多的点,有利于实验数据的处理和减小误差,A项错误;实验中为了在纸带上打出更多的点,也为了打点的稳定,应先启动打点计时器,然后释放小车,B项正确;该实验不需要平衡小车受到的阻力,C项错误;电火花计时器接220 V交流电源,D项错误。

2.B 根据匀变速直线运动的特点(相邻的时间间隔位移之差相等)得出
x
34-x
23
=x
23
-x
12
=x
12
-x
01
,所以属于纸带a的是B图。

3.ACD 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项正确;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,小车的加速度略大一些较好,如果每五个点中取一个计数点,以能在纸带上50 cm长度内清楚地取出6~7个计数点为宜,B项错误;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项正确;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项正确。

4.BD 在打下计数点“0”至“5”的过程中,两纸带所用时间相同,但甲纸带位移小于乙纸带位移,故<,A项错误,B项正确;相邻计数点间所用时间相等,可知甲的速度
不变,乙的速度变大,故a
甲<a
乙
,C项错误,D项正确。

5. 根据匀变速直线运动某段时间的平均速度等于中间时刻的瞬时速度,可得
v
B ==0.823 m/s,由图可知x
1
=6.98 cm,x
2
=(16.45-6.98)cm=9.47
cm,x
3=(28.43-16.45)cm=11.98 cm,x
4
=(42.86-28.43)cm=14.43 cm;由逐差法可知
a=,代入数据可得a=2.49 m/s2。

答案：(1)0.823 (2)2.49
6. (1)挡光片完全经过光电门时的速度v=v
A +aΔt,又因为=,解得=v
A
+aΔt。

(2)根据图象可知v
A
=52.1 cm/s,解得a=16.3 cm/s2。

答案：(1)v
A
+aΔt(2)52.1 16.3。