2023届新高考新教材物理人教版一轮学案-第一章创新实验课(01)　测量做直线运动物体的瞬时速度.docx

实验基础知识一、实验基本技能1实验目的(1)练习正确使用打点计时器，学会利用纸带上的点测瞬时速度(2)研究物体做匀变速直线运动的规律，会利用纸带计算匀变速直线运动的加速度2实验原理(1)打点计时器的原理电磁打点计时器使用8 V以下低压交变电源，电火花计时器使用220 V交流电(50 Hz 0.02 s)每打两个点的时间间隔为0.02 s，一般每五个点取一个计数点，则时间间隔为t0.02×5 s0.1 s.(2) 原理装置图不需要补偿阻力不需要满足悬挂钩码质量远小于小车质量(3)匀变速直线运动的判断若物体在连续相等时间T内的位移之差x为一恒量，即xaT2，则物体做匀变速直线运动利用“平均速度法”确定多个点的瞬时速度，作出物体运动的v­t图像，若图像是一条倾斜的直线，则物体做匀变速直线运动(4)瞬时速度的求法：平均速度法(5)加速度的求解方法：“逐差法”求加速度，然后取平均值； “图像法”3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、槽码、刻度尺、导线、交流电源、复写纸4实验步骤(1)按照实验原理图，把打点计时器固定在长木板无滑轮的一端，接好电源(2)把一细绳系在小车上，细绳绕过滑轮，下端挂适量的槽码，纸带穿过打点计时器，固定在小车后面(3)把小车停靠在打点计时器处，先接通电源，后放开小车(4)小车运动一段时间后，断开电源，取下纸带(5)换纸带反复做三次，选择一条比较理想的纸带进行测量分析二、规律方法总结1数据处理(1)目的通过纸带求解运动的加速度和瞬时速度，确定物体的运动性质等(2)处理的方法根据极限思想求瞬时速度：在公式v中，当t0时，v是瞬时速度匀变速直线运动中利用平均速度求瞬时速度：vn.利用速度时间图像求加速度，作出速度时间图像，通过图像的斜率求解物体的加速度；分析物体的运动性质测量相邻计数点间的距离，计算相邻计数点距离之差，看其是否为常数，从而确定物体的运动性质，利用逐差法求解平均加速度(如图所示)，a1，a2，a3a.2依据纸带判断物体是否做匀变速直线运动(1)x1、x2、x3、xn是相邻两计数点间的距离(2)x是两个连续相等的时间间隔内的位移差：x1x2x1，x2x3x2，.(3)T是相邻两计数点间的时间间隔：T0.02n s(打点计时器的频率为50 Hz，n为两计数点间计时点的间隔数)(4)xaT2，因为T是恒量，做匀变速直线运动的小车的加速度a也为恒量，所以x必然是个恒量这表明：只要小车做匀变速直线运动，它在任意两个连续相等的时间间隔内的位移之差就一定相等3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v­t图像并不是一条直线4注意事项(1)平行：纸带、细绳要和长木板平行(2)两先两后：实验中应先接通电源，后放开小车；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，防止槽码落地和小车与滑轮相撞(4)减小误差：小车的加速度宜适当大些，可以减小长度的测量误差产生的影响，加速度大小以能在约50 cm的纸带上清楚地取出67个计数点为宜命题点一实验原理与操作用图甲所示的实验装置研究小车速度随时间变化的规律甲主要实验步骤如下：a安装好实验器材，接通电源后，让拖着纸带的小车沿长木板运动，重复几次b选出一条点迹清晰的纸带，找一个合适的点当作计时起点O(t0)，然后每隔相同的时间间隔T选取一个计数点，如图乙中A、B、C、D、E、F所示乙c通过测量、计算可以得到在打A、B、C、D、E点时小车的速度，分别记作v1、v2、v3、v4、v5d以速度v为纵轴、时间t为横轴建立直角坐标系，在坐标纸上描点，如图丙所示丙结合上述实验步骤，请你完成下列任务：(1)在下列仪器和器材中，还需要使用的有_和_(填选项前的字母)A电压合适的50 Hz交变电源B电压可调的直流电源C刻度尺D秒表E天平(含砝码)(2)在图丙中已标出计数点A、B、D、E对应的坐标点，请在该图中标出计数点C对应的坐标点，并画出v­t图像(3)观察v­t图像，可以判断小车做匀变速直线运动，其依据是_v­t图像斜率的物理意义是_(4)描绘v­t图像前，还不知道小车是否做匀变速直线运动用平均速度表示各计数点的瞬时速度，从理论上讲，对t的要求是_(选填“越小越好”或“与大小无关”)；从实验的角度看，选取的x大小与速度测量的误差_(选填“有关”或“无关”)解析：(1)打点计时器使用的是交变电源，故选A，不选B；相邻打点间的时间是已知的，故不选D；计数点间的距离需要用刻度尺测量，故选C；由于不需要知道小车和重物的质量，所以不需要天平(含砝码)，故不选E.(2)C点的横坐标为3T，纵坐标为v3，连线时要让尽量多的点在一条直线上如图所示(3)可以依据v­t图像是倾斜的直线(斜率一定)，即小车的速度随时间均匀变化，判断出小车做匀变速直线运动；v­t图像的斜率表示加速度(4)严格地讲，表示的是t内的平均速度，只有当t趋近于0时，才表示瞬时速度，因此若用表示各计数点的瞬时速度，对t的要求是越小越好；从实验的角度看，选取的x越小，用计算得到的平均速度越接近计数点的瞬时速度，但x过小，测量误差增大，因此选取的x大小与速度测量的误差有关答案：(1)AC(2)图像见解析(3)小车的速度随时间均匀变化加速度(4)越小越好有关对点演练1(2022·东北师大附中等六校联考)研究小车做匀变速直线运动的实验装置如图(a)纸带上计数点的间距如图(b)，相邻计数点的时间间隔为T，计数点O至其它各计数点的距离为xi(其中i1、2、3)(1)(多选)部分实验步骤如下，其中正确的有_A把打点计时器固定在平板上，让纸带穿过限位孔B必须抬高木板右端，补偿阻力C将小车尾部与纸带相连，小车停靠在打点计时器附近D先释放小车，后接通电源(2)用x3、x5和T表示计数点4对应的小车速度大小为v4_(3)用x3、x6和T表示小车加速度的大小为a_解析：(1)把打点计时器固定在平板上，让纸带穿过限位孔，选项A正确；此实验中小车做匀加速运动即可，不需要补偿阻力，选项B错误；将小车尾部与纸带相连，小车停靠在打点计时器附近，选项C正确；实验时要先接通电源，后释放小车，选项D错误(2)用x3、x5和T表示计数点4对应的小车速度大小为v4.(3)根据xaT2，则用x3、x6和T表示小车加速度的大小为a.答案：(1)AC(2)(3)命题点二数据处理与误差分析如图甲所示的是一次记录小车运动情况的纸带，图中A、B、C、D、E为相邻的计数点，而相邻计数点间还有4个点未画出打点计时器所接电源频率为50 Hz.(1)根据_可以判定小车做匀加速运动(2)根据运动学有关公式可求得vB_m/s，vC_m/s，vD_m/s.(3)利用求得的数值在图乙坐标系中作出小车的v­t图线(以打A点时开始计时)，并根据图线求出小车运动的加速度a_m/s2.(4)将图线延长与纵轴相交，交点的纵坐标是_m/s，则此速度的物理意义是_解析：(1)由纸带上的点可以看出xAB7.5 cm，xBC20.1 cm，xCD32.7 cm，xDE45.3 cm，xDExCDxCDxBCxBCxAB12.6 cm，相邻相等时间间隔内的位移差相等，所以小车做匀加速直线运动(2)由于相邻计数点间还有四个点未画出，所以相邻的计数点间的时间间隔T0.1 s，根据匀变速直线运动中间时刻的速度等于该过程中的平均速度，得vB m/s1.38 m/s，vC m/s2.64 m/s，vD m/s3.90 m/s.(3)作图时注意，尽量使描绘的点落在直线上，若不能落在直线上，尽量让其均匀分布在直线两侧利用求得的数值作出小车的v ­t图线(以打A点时开始计时)，并根据图线斜率求出小车运动的加速度a12.6 m/s2.(4)将图线延长与纵轴相交，交点的纵坐标是零时刻的速度，为0.12 m/s，此速度的物理意义是打点计时器打下计时点A时纸带对应的速度答案：(1)相邻相等时间间隔内的位移差相等(2)1.382.643.90(3)图见解析12.6(4)0.12打点计时器打下计时点A时纸带对应的速度对点演练2某小组用打点计时器研究小车的匀变速直线运动，该打点计时器电源的频率为50 Hz，在打好的纸带上每5个点标记一个计数点，标记结果如图所示A、B、C、D为连续选择的计数点，其位置分别为20.0 mm、34.0 mm、53.0 mm和77.0 mm.则(1)图中相邻两计数点的时间间隔是_s.(2)打B点时小车的速度大小是_m/s.(3)小车运动的加速度大小是_m/s2.解析：(1)打点计时器的打点周期为T0.02 s，相邻两计数点之间的时间间隔t5T0.1 s.(2)在匀变速直线运动中，中间时刻速度等于平均速度，所以打B点时小车的速度为vB0.165 m/s.(3)根据逐差法求解加速度a m/s20.5 m/s2.答案：(1)0.1(2)0.165(3)0.5命题点三创新拓展实验实验原理的创新实验器材的创新1.滑块在斜面上靠下滑力与摩擦力的合力获得加速度.2.挡光片经过光电门的平均速度作为滑块速度.3.平均速度的大小与挡光片的长度有关1.物块在斜面上靠下滑力与摩擦力的合力获得加速度.2.由纸带确定物块的加速度. 3.结合牛顿第二定律求动摩擦因数1.用滴水针头替代打点计时器打纸带.2.小车在水平桌面上因摩擦做匀减速运动.(2021·全国甲卷)为测量小铜块与瓷砖表面间的动摩擦因数，一同学将贴有标尺的瓷砖的一端放在水平桌面上，形成一倾角为的斜面(已知sin 0.34，cos 0.94)，小铜块可在斜面上加速下滑，如图所示该同学用手机拍摄小铜块的下滑过程，然后解析视频记录的图像，获得5个连续相等时间间隔(每个时间间隔T0.20 s)内小铜块沿斜面下滑的距离si(i1，2，3，4，5)，如下表所示s1s2s3s4s55.87 cm7.58 cm9.31 cm11.02 cm12.74 cm由表中数据可得，小铜块沿斜面下滑的加速度大小为_ m/s2，小铜块与瓷砖表面间的动摩擦因数为_(结果均保留2位有效数字，重力加速度大小取9.80 m/s2)【解题方案】第1步：弄清实验目的：测量小铜块与瓷砖表面间的动摩擦因数第2步：理清实验原理：铜块在斜面上匀加速下滑，符合动力学模型弄清运动情况和受力情况，测出运动位移和运动时间，即可求出动摩擦因数第3步：制定数据处理方案：利用逐差法求加速度，再利用牛顿第二定律求动摩擦因数解析：根据逐差法有：a代入数据可得小铜块沿斜面下滑的加速度大小a0.43 m/s2对小铜块受力分析根据牛顿第二定律有：mgsin mgcos ma代入数据解得：0.32.答案：0.430.32对点演练3(实验原理的创新)(2020·江苏卷)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(1)家中有乒乓球、小塑料球和小钢球，其中最适合用作实验中下落物体的是_(2)下列主要操作步骤的正确顺序是_(填写各步骤前的序号)把刻度尺竖直固定在墙上捏住小球，从刻度尺旁静止释放手机固定在三角架上，调整好手机镜头的位置打开手机摄像功能，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1 mm，由此测得重力加速度为_m/s2.(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，_(选填“仍能”或“不能”)用(3)问中的方法测出重力加速度解析：(1)要测量当地重力加速度需要尽量减小空气阻力的影响，所以密度大、体积小的小钢球最适合(2)要完成实验首先应该将刻度尺竖直固定在墙上，安装好三脚架，调整好手机摄像头的位置；因为下落时间很短，所以一定要先打开摄像头开始摄像，然后再将小球从刻度尺旁静止释放，故顺序为.(3)由三张图片读出小球所在位置的刻度分别为2.50 cm，26.50 cm，77.20 cm；小球做自由落体运动，根据xgT 2可得g m/s29.61 m/s2.(4)因为就算小球偏离了竖直方向，但是小球在竖直方向上的运动依然是自由落体运动，对实验结果无影响，故仍能用前面的方法测量出重力加速度答案：(1)小钢球(2)(3)9.61(9.509.70)(4)仍能4(实验器材的创新)(2020·山东卷)2020年5月，我国进行了珠穆朗玛峰的高度测量，其中一种方法是通过使用重力仪测量重力加速度，进而间接测量海拔高度某同学受此启发就地取材设计了如下实验，测量当地重力加速度的大小实验步骤如下：如图甲所示，选择合适高度的垫块，使木板的倾角为53°，在其上表面固定一与小物块下滑路径平行的刻度尺(图中未画出)调整手机使其摄像头正对木板表面，开启视频录像功能将小物块从木板顶端释放，用手机记录下小物块沿木板向下做加速直线运动的情况然后通过录像的回放，选择小物块运动路径上合适的一点作为测量参考点，得到小物块相对于该点的运动距离L与运动时间t的数据该同学选取部分实验数据，画出了t图像，利用图像数据得到小物块下滑的加速度大小为5.6 m/s2.再次调节垫块，改变木板的倾角，重复实验回答以下问题：(1)当木板的倾角为37°时，所绘图像如图乙所示由图像可得，物块过测量参考点时速度的大小为_m/s；选取图线上位于坐标纸网格交叉点上的A、B两点，利用A、B两点数据得到小物块下滑加速度的大小为_m/s2.(结果均保留两位有效数字)(2)根据上述数据，进一步分析得到当地的重力加速度大小为_m/s2.(结果保留两位有效数字，sin 37°0.60，cos 37°0.80)解析：(1)根据匀变速直线运动的位移公式得Lv0tat2，所以2v0at，即t图像的截距为2v0，斜率为加速度a，由图像乙知2v065×102 m/s，所以初速度v00.33 m/s加速度a m/s23.1 m/s2.(2)当53°时，a05.6 m/s2当37°时，a3.1 m/s2根据牛顿第二定律得a0gsin 53°gcos 53°agsin 37°gcos 37°联立两式并代入数据解得g9.4 m/s2.答案：(1)0.333.1(2)9.4