高中物理试卷-实验：打点计时器-满分班

实验一研究匀变速直线运动实验目的1．练习正确使用打点计时器．2．会利用纸带求匀变速直线运动的瞬时速度、加速度．3．会利用纸带探究小车速度随时间变化的规律，并能画出小车运动的v－t图象，根据图象求加速度．实验原理1.2.实验过程注意事项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．减小误差：小车的加速度要适当大些，可以减小长度的测量误差，加速度大小以能在约50 cm的纸带上清楚地取出6～7个计数点为宜．5．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．6．准确作图在坐标纸上，纵、横轴选取合适的单位(避免所描点过密或过疏，而导致误差过大)，仔细描点连线，不能连成折线，应作一条直线，让各点尽量落到这条直线上，落不到直线上的各点应均匀分布在直线的两侧．热点一刻度尺的读数【典例1】如图1所示，用毫米刻度尺测量纸带中的计数点0、1之间的距离为________ mm,0、2之间的距离为________ mm,2、3之间的距离为________ mm.图1解析毫米刻度尺的最小刻度为 1 mm，读数时要估读到毫米的下一位．计数点0、1之间的距离为8.9 mm(9.0 mm也可)，若读成8.90 mm或9 mm都是错误的；0、2之间的距离为19.5 mm,2、3之间的距离为12.5 mm(32.0 mm－19.5 mm)．答案8.9(9.0也可)19.512.5反思总结刻度尺的读数应注意(1)刻度尺读数时要使刻度线紧贴被测物体，眼睛正对刻度线读数．(2)毫米刻度尺的精确度为1 mm，读数时要估读到最小刻度的下一位．【跟踪短训】1．(2013·浙江卷，21)如图2所示，装置甲中挂有小桶的细线绕过定滑轮，固定在小车上；装置乙中橡皮筋的一端固定在导轨的左端，另一端系在小车上．一同学用装置甲和乙分别进行实验，经正确操作获得两条纸带①和②，纸带上的a 、b 、c ……均为打点计时器打出的点．图2(1)任选一条纸带读出b 、c 两点间距离为________；(2)任选一条纸带求出c 、e 两点间的平均速度大小为________，纸带①和②上c 、e 两点间的平均速度v ①________v ②(填“大于”、“等于”或“小于”)；(3)图中________(填选项字母)．A ．两条纸带均为用装置甲实验所得B ．两条纸带均为用装置乙实验所得C ．纸带①为用装置甲实验所得，纸带②为用装置乙实验所得D ．纸带①为用装置乙实验所得，纸带②为用装置甲实验所得解析 (1)由纸带①可读出b 、c 间距为2.10 cm ，由纸带②读出b 、c 间距为2.40 cm(±0.05 cm ，有效数字位数要准确)．(2)由v ＝x t ，t ＝0.04 s ，v ce ＝1.13 m/s(纸带①)或1.25 m/s(纸带②)，v ①<v ②.(3)由纸带①各点间距分析可知，小车做匀加速运动，从纸带②各点间距来看，小车开始做加速运动，一段距离后做匀速运动，故可知纸带①是用装置甲实验所得，纸带②是用装置乙实验所得，选C.答案 (1)2.10 cm 或2.40 cm(±0.05 cm ，有效数字位数正确)(2)1.13 m/s 或1.25 m/s(±0.05 m/s ，有效数字位数不作要求) 小于(3)C热点二 纸带数据处理【典例2】 [2013·广东卷，34(1)]研究小车匀变速直线运动的实验装置如图3(a)所示，其中斜面倾角θ可调．打点计时器的工作频率为50 Hz.纸带上计数点的间距如图(b)所示，其中每相邻两点之间还有4个记录点未画出．图3 (1)部分实验步骤如下：A ．测量完毕，关闭电源，取出纸带B ．接通电源，待打点计时器工作稳定后放开小车C ．将小车停靠在打点计时器附近，小车尾部与纸带相连D ．把打点计时器固定在平板上，让纸带穿过限位孔上述实验步骤的正确顺序是：__________(用字母填写)．(2)图(b)中标出的相邻两计数点的时间间隔T ＝______ s.(3)计数点5对应的瞬时速度大小计算式为v 5＝________.(4)为了充分利用记录数据，减小误差，小车加速度大小的计算式应为a ＝________. 解析 本题是研究小车做匀变速直线运动的实验，根据一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度及利用逐差法求加速度解决问题．(1)实验步骤的正确顺序是D 、C 、B 、A.(2)电源的工作频率f ＝50 Hz ，所以打点周期T 0＝1f ＝150s ＝0.02 s ，相邻两计数点的时间间隔T ＝5T 0＝0.1 s.(3)计数点5对应的瞬时速度等于计数点4、6间的平均速度，故v 5＝s 4＋s 52T. (4)为了减小误差，计算小车的加速度利用逐差法，即s 4－s 1＝3a 1T 2，s 5－s 2＝3a 2T 2，s 6－s 3＝3a 3T 2，a ＝a 1＋a 2＋a 33＝(s 6＋s 5＋s 4)－(s 3＋s 2＋s 1)9T 2. 答案 (1)DCBA (2)0.1 (3)s 4＋s 52T(4)(s 4＋s 5＋s 6)－(s 1＋s 2＋s 3)9T 2反思总结1．利用纸带判定物体运动的性质(1)若s 1、s 2、s 3…基本相等，则可判定物体在实验误差允许的范围内做匀速直线运动．(2)利用s 1、s 2、s 3…可以计算出在相邻相等时间间隔内物体的位移差s 2－s 1、s 3－s 2、s 4－s 3…，如果它们在实验误差允许的范围内相等，则可以判定物体做匀变速直线运动．2．计算点间的距离计数点间距离的给定有两种：相邻点间距离和各计数点到O 点的距离，计算时后者要先转换为前者，如框图所示．3．常见错误 对纸带进行数据处理时，常见的错误有：(1)误认为T ＝0.02 s ，没有注意到图中相邻计数点之间有几个点没画出．(2)没有进行单位换算，图中各数据的单位都是cm ，应当换算为m.【跟踪短训】2．[2012·山东卷，21(1)]某同学利用图4甲所示的实验装置，探究物块在水平桌面上的运动规律．物块在重物的牵引下开始运动，重物落地后，物块再运动一段距离停在桌面上(尚未到达滑轮处)．从纸带上便于测量的点开始，每5个点取1个计数点，相邻计数点间的距离如图乙所示．打点计时器电源的频率为50 Hz.图4(1)通过分析纸带数据，可判断物块在两相邻计数点________和________之间某时刻开始减速．(2)计数点5对应的速度大小为________m/s ，计数点6对应的速度大小为______m/s.(保留三位有效数字)(3)物块减速运动过程中加速度的大小为a ＝________m/s 2.解析 (1)从计数点1到6相邻的相等时间内的位移差Δx ≈2.00 cm ，在6、7计数点间的位移比5、6之间增加了(12.28－11.01)cm ＝1.27 cm ＜2.00 cm ，因此，开始减速的时刻在计数点6和7之间．(2)计数点5对应的速度大小为v 5＝x 4＋x 52T ＝(9.00＋11.01)×10－22×0.1m/s ＝1.00 m/s. 计数点4对应的速度大小为v 4＝x 3＋x 42T ＝(7.01＋9.00)×10－22×0.1m/s ＝0.80 m/s. 根据v 5＝v 4＋v 62，得计数点6对应的速度大小为v 6＝2v 5－v 4＝(2×1.00－0.80)m/s ＝1.20 m/s.(3)物块在计数点7到11之间做减速运动，根据Δx ＝aT 2得x 9－x 7＝2a 1T 2x 10－x 8＝2a 2T 2故a ＝a 1＋a 22＝(x 9＋x 10)－(x 8＋x 7)2×2T 2≈－2.00 m/s 2. 答案 (1)6 7(或7 6) (2)1.00 1.20 (3)2.00探究高考命题视角以本实验为背景，通过改变实验条件、实验仪器设置题目，不脱离教材而又不拘泥教材，体现开放性、探究性等特点．视角1 实验器材的改进①为了保证小车真正做匀加速直线运动，用气垫导轨――→替代长木板②用频闪照相或光电计时――→替代打点计时器视角2 在新情景下完善实验步骤及数据分析【典例3】 (2013·江苏卷·11)某兴趣小组利用自由落体运动测定重力加速度，实验装置如图5所示．倾斜的球槽中放有若干个小铁球，闭合开关K ，电磁铁吸住第1个小球．手动敲击弹性金属片M ，M 与触头瞬间分开，第1个小球开始下落，M 迅速恢复，电磁铁又吸住第2个小球．当第1个小球撞击M 时，M 与触头分开，第2个小球开始下落……这样，就可测出多个小球下落的总时间．图5(1)在实验中，下列做法正确的有________．A ．电路中的电源只能选用交流电源B ．实验前应将M 调整到电磁铁的正下方C ．用直尺测量电磁铁下端到M 的竖直距离作为小球下落的高度D ．手动敲击M 的同时按下秒表开始计时(2)实验测得小球下落的高度H ＝1.980 m,10个小球下落的总时间T ＝6.5 s ．可求出重力加速度g ＝________m/s 2.(结果保留两位有效数字)(3)在不增加实验器材的情况下，请提出减小实验误差的两个办法．(4)某同学考虑到电磁铁在每次断电后需要时间Δt 磁性才消失，因此，每个小球的实际下落时间与它的测量时间相差Δt ，这导致实验误差．为此，他分别取高度H 1和H 2，测量n 个小球下落的总时间T 1和T 2.他是否可以利用这两组数据消除Δt 对实验结果的影响？请推导说明．解析 根据自由落体运动的规律h ＝12gt 2解决问题． (1)若电源选用直流电源，电磁铁可正常工作，选项A 错误；实验时小球要撞击M 断开电源，因此M 应在电磁铁的正下方，选项B 正确；小球下落的高度为电磁铁下端到M 的竖直距离与小球直径的差，选项C 错误；根据H ＝12gt 2，t 可利用累积法，即从手动敲击M 的同时开始计时，测量出落下n 个小球的时间T ，则一个小球下落时间t ＝T n ，选项D 正确．(2)根据H ＝12gt 2和t ＝T n，解得 g ＝2H t 2＝2n 2H T 2＝2×102×1.9806.52 m/s 2≈9.4 m/s 2. (3)要减小实验误差，可以适当增大小球下落的高度，并多次测量取平均值．(4)根据题意，小球从H 1、H 2高处落下需要的时间t 1＝T 1n －Δt 和t 2＝T 2n －Δt ，根据H ＝12gt 2得H 1＝12g ⎝⎛⎭⎫T 1n －Δt 2和H 2＝12g ⎝⎛⎭⎫T 2n－Δt 2 解得g ＝2n 2(H 1－H 2)2(T 1－T 2)2，因此可以消除Δt 的影响． 答案 (1)BD (2)9.4(3)增加小球下落的高度；多次重复实验，结果取平均值．(其他答案只要合理也可)(4)可以消除Δt 对实验结果的影响，推导过程见解析【探究跟踪】(1)在DIS 系统中，光电门测量的是运动物体挡光时间内的平均速度，因为挡光片较窄，所以可看作测量的是瞬时速度．为了测量做匀变速直线运动的小车的加速度，将宽度均为b 的挡光片A 、B 固定在小车上，如图6所示．当小车做匀变速运动经过光电门时，测得A 、B 先后挡光的时间分别为Δt 1和Δt 2，A 、B 开始挡光时刻的间隔为t ，则A 、B 先后经过光电门时的速度分别为________，________；小车的加速度a ＝________.图6(2)如图7所示为用打点计时器研究小车运动情况的装置：实验时由静止释放钩码，小车开始做匀加速直线运动，在小车进入布面前钩码已经落地了，小车在平玻璃板上做匀速直线运动，后来在布面上做匀减速直线运动，所打出的纸带的一部分如图8所示，纸带上相邻两点对应的时间间隔为T ＝0.02 s ，试分析：(以下结果均保留三位有效数字)图7①由图8可知，小车在玻璃板上做匀速运动的速度大小为v ＝________m/s ；打点计时器打下计数点D 时小车的瞬时速度v D ＝________m/s.图8②根据纸带得到了如图9所示的v －t 图象，则小车做匀减速直线运动时的加速度为a ＝______m/s 2.图9 解析 (1)光电门测量的是运动物体挡光时间内的平均速度，因为挡光片较窄，所以可看作测量的是瞬时速度．A 、B 先后经过光电门时的速度分别为v A ＝b Δt 1，v B ＝b Δt 2； 小车的加速度a ＝v B －v A t ＝b t ⎝⎛⎭⎫1Δt 2－1Δt 1. (2)①由纸带知小车在OB 段做匀速直线运动，此时的速度为v ＝s OA 2T ＝6.81×10－22×0.02m/s ＝1.70 m/s ；由匀变速直线运动规律有v D ＝s DE ＋s CD 4T ＝(5.76＋6.25)4×0.02×10－2 m/s ＝1.50 m/s. ②v －t 图象的斜率表示加速度，为求直线的斜率，可在直线上取两个距离较远的点，如(0.104,1.68)和(0.192，1.42)，则加速度为a ＝k ＝1.68－1.420.104－0.192m/s 2＝－2.95 m/s 2. 答案 (1)b Δt 1 b Δt 2 b t ⎝⎛⎭⎫1Δt 2－1Δt 1 (2)①1.70 1.50 ②－2.951．(2013·咸阳模拟)在“测定匀变速直线运动加速度”的实验中：(1)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，在下面的仪器和器材中，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 ．刻度尺D ．秒表E ．天平(2)实验过程中，下列做法正确的是________．A ．先接通电源，再使纸带运动B ．先使纸带运动，再接通电源C ．将接好纸带的小车停在靠近滑轮处D ．将接好纸带的小车停在靠近打点计时器处(3)如图10所示为一次实验得到的一条纸带，纸带上每相邻的两计数点间都有4个点未画出，按时间顺序取0、1、2、3、4、5、6共7个计数点，测出1、2、3、4、5、6点到0点的距离，如图所示(单位：cm)．由纸带数据计算可得计数点4所代表时刻的瞬时速度大小v 4＝________m/s ，小车的加速度大小为________m/s 2.(保留二位有效数字)图10解析 (1)打点计时器应使用交流电源，测量位移需用到刻度尺．(2)为充分利用纸带和实验的顺利进行，可知A 、D 正确．(3)相邻计数点之间都还有4个点未画出，说明相邻计数点之间的时间间隔是0.1 s ．由全程的平均速度等于中间时刻的瞬时速度得v 4＝(14.55－6.45)×10－22×0.1m/s ≈0.41 m/s. 由Δx ＝aT 2得a ＝(19.70－6.45)－6.459×0.12×10－2m/s 2≈0.76 m/s 2 答案 (1)AC (2)AD (3)0.41 0.762．(2013·淮阴中学测试)在研究某小车运动状态的实验中，如图11所示为一次记录小车运动情况的纸带，图中A 、B 、C 、D 为依次打下的相邻的计数点，且相邻计数点间的时间间隔T ＝0.1 s.图11(1)由纸带可以判定小车做________运动，因为：__________________________(2)根据纸带可以计算C 点的瞬时速度，v C ＝________ m/s.(3)根据纸带可以计算出该小车的加速度大小为a ＝________ m/s 2.解析 由纸带分析可得小车在连续相等的时间间隔内的相邻位移之差恒定，所以小车做匀加速直线运动；v C ＝BC ＋CD 2T ＝4.4 m/s.a ＝CD －BC T 2＝12 m/s 2. 答案 (1)匀加速直线 小车在连续相等的时间间隔内的相邻位移之差恒定 (2)4.4(3)123．如图12所示为一次记录小车运动情况的纸带，图中A 、B 、C 、D 、E 、F 、G 为相邻的计数点，相邻计数点的时间间隔T ＝0.1 s.图12(1)在如图13所示的坐标系中作出小车的v －t 图线．图13（2）将图线延长与纵轴相交，交点的速度大小是________cm/s ，此速度的物理意义是______．(3)小车的加速度大小是________．解析 (1)应用v n ＝x n ＋x n ＋12T，求出计数点B 、C 、D 、E 、F 对应的速度为v B ＝16.50 cm/s ，v C ＝21.40 cm/s ，v D ＝26.30 cm/s ，v E ＝31.35 cm/s ，v F ＝36.30 cm/s ，在v －t 坐标系中描点、连线，如图所示．(2)由图中可以读出，图线与纵轴交点的速度大小为11．60 cm/s ，此速度表示A 点的瞬时速度．(3)利用斜率求加速度a ＝Δv Δt＝0.5 m/s 2. 答案 (1)见解析 (2)11.60(11.30～11.60均对) 表示A 点的瞬时速度 (3)0.5 m/s 24．(2013·苏锡常镇四市一调)在暗室中用如图14所示的装置做“测定重力加速度”的实验．图14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：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圆的水滴到第一个水滴的距离如图15所示，根据数据测得当地重力加速度g ＝______ m/s 2；第8个水滴此时的速度v 8＝________ m/s(结果都保留三位有效数字)．图15(3)该实验存在的系统误差可能有(答出一条即可)：_________________________.解析 (1)当频闪仪闪光频率等于水滴滴落的频率时，才能看到空间有一串仿佛固定不动的水滴．(2)根据图示距离可知x 1＝(19.30－13.43)cm ＝5.87×10－2 m 、x 2＝(26.39－19.30)cm ＝7.09×10－2 m 、x 3＝(34.48－26.39)cm ＝8.09×10－2 m 、x 4＝(43.67－34.48)cm ＝9.19×10－2 m ，闪光周期T ＝130 s ，利用逐差法测得当地重力加速度g ＝(x 4＋x 3－x 2－x 1)4T 2＝9.72 m/s 2，第8个水滴此时的速度v 8＝34.48－19.302×30×10－2 m/s ＝2.28 m/s. (3)该实验存在系统误差的原因可能有空气阻力、水滴滴落的频率变化、米尺没有竖直放置等．答案 (1)频闪仪频率等于水滴滴落的频率(2)9.72 2.28(3)存在空气阻力(或水滴滴落的频率变化)。