【創(chuàng)新設(shè)計】屆高考物理一輪 （考綱自主研讀命題探究高考全程解密） 第4講實(shí)驗(yàn)一 探究速度隨時間的變化規(guī)律（含解析） 新人教版

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1、 第4講　實(shí)驗(yàn)一　探究速度隨時間的變化規(guī)律 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1．練習(xí)正確使用打點(diǎn)計時器． 2．會利用紙帶求勻變速直線運(yùn)動的瞬時速度、加速度． 3．會利用紙帶探究小車速度隨時間變化的規(guī)律，并能畫出小車運(yùn)動的v－t圖象，根據(jù)圖象求加速度． 實(shí)驗(yàn)原理 實(shí)驗(yàn)過程 注意事項(xiàng) 1．平行：紙帶和細(xì)繩要和木板平行． 2．兩先兩后：實(shí)驗(yàn)中應(yīng)先接通電源，后讓小車運(yùn)動；實(shí)驗(yàn)完畢應(yīng)先斷開電源后取紙帶． 3．防止碰撞：在到達(dá)長木板末端前應(yīng)讓小車停止運(yùn)動，要防止鉤碼落地和小車與滑輪相撞． 4．減小誤差：小車的加速度要適當(dāng)大些，可以減小長度的測量誤差，加速度大小以能在約50 cm的紙帶

2、上清楚地取出6～7個計數(shù)點(diǎn)為宜． 熱點(diǎn)一　刻度尺的讀數(shù) 【典例1】 如圖1－4－1所示，用毫米刻度尺測量紙帶中的計數(shù)點(diǎn)0、1之間的距離為________ mm，0、2之間的距離為________ mm，2、3之間的距離為________ mm. 圖1－4－1 解析　毫米刻度尺的最小刻度為1 mm，讀數(shù)時要估讀到毫米的下一位．計數(shù)點(diǎn)0、1之間的距離為8.9 mm(9.0 mm也可)，若讀成8.90 mm或9 mm都是錯誤的；0、2之間的距離為19.5 mm，2、3之間的距離為12.5 mm(32.0 mm－19.5 mm)． 答案　8.9(9.0也可)　19.5　12.5

3、 刻度尺的讀數(shù)應(yīng)注意 (1)刻度尺讀數(shù)時要使刻度線緊貼被測物體，眼睛正對刻度線讀數(shù)． (2)毫米刻度尺的精確度為1 mm，讀數(shù)時要估讀到最小刻度的下一位． 【變式跟蹤1】 圖1－4－2是“研究勻變速直線運(yùn)動”實(shí)驗(yàn)中獲得的一條紙帶，O、A、B、C、D和E為紙帶上六個計數(shù)點(diǎn)，加速度大小用a表示． 圖1－4－2 ①OD間的距離為________ cm. ②圖1－4－3是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出的x－t2圖線(x為各計數(shù)點(diǎn)至同一起點(diǎn)的距離)，斜率表示__________，其大小為________ m/s2(保留三位有效數(shù)字)． 圖1－4－3 解析?、? cm＋1 mm2.0＝1.20

4、cm. ②加速度的一半，a＝ m/s2＝0.467 m/s2， 所以加速度大小a≈0.933 m/s2. 答案?、?.20　②加速度的一半　0.933 熱點(diǎn)二　用“紙帶法”測速度、加速度 【典例2】 [2012山東卷，21(1)]某同學(xué)利用圖1－4－4甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置，探究物塊在水平桌面上的運(yùn)動規(guī)律．物塊在重物的牽引下開始運(yùn)動，重物落地后，物塊再運(yùn)動一段距離停在桌面上(尚未到達(dá)滑輪處)．從紙帶上便于測量的點(diǎn)開始，每5個點(diǎn)取1個計數(shù)點(diǎn)，相鄰計數(shù)點(diǎn)間的距離如圖乙所示．打點(diǎn)計時器電源的頻率為50 Hz. 甲 乙 圖1－4－4 ①通過分析紙帶數(shù)據(jù)，可判斷物塊在兩相鄰計數(shù)點(diǎn)

5、________和________之間某時刻開始減速． ②計數(shù)點(diǎn)5對應(yīng)的速度大小為________m/s，計數(shù)點(diǎn)6對應(yīng)的速度大小為______m/s.(保留三位有效數(shù)字) ③物塊減速運(yùn)動過程中加速度的大小為a＝______m/s2. 解析?、購挠嫈?shù)點(diǎn)1到6相鄰的相等時間內(nèi)的位移差Δx≈2.00 cm，在6、7計數(shù)點(diǎn)間的位移比5、6之間增加了(12.28－11.01)cm＝1.27 cm＜2.00 cm，因此，開始減速的時刻在計數(shù)點(diǎn)6和7之間． ②計數(shù)點(diǎn)5對應(yīng)的速度大小為 v5＝＝ m/s＝1.00 m/s. 計數(shù)點(diǎn)4對應(yīng)的速度大小為 v4＝＝m/s＝0.80 m/s. 根據(jù)v5

6、＝，得計數(shù)點(diǎn)6對應(yīng)的速度大小為v6＝2v5－v4＝(21.00－0.80)m/s＝1.20 m/s. ③物塊在計數(shù)點(diǎn)7到11之間做減速運(yùn)動，根據(jù)Δx＝aT2得 x9－x7＝2a1T2 x10－x8＝2a2T2 故a＝＝≈－2.00 m/s2. 答案?、?　7(或7　6)　②1.00　1.20　③2.00 1．利用紙帶判定物體運(yùn)動的性質(zhì) (1)若x1、x2、x3…基本相等，則可判定物體在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)做勻速直線運(yùn)動． (2)利用x1、x2、x3…可以計算出在相鄰相等時間間隔內(nèi)物體的位移差x2－x1、x3－x2、x4－x3…，如果它們在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)相等，則可以判定

7、物體做勻變速直線運(yùn)動． 2．計算點(diǎn)間的距離 計數(shù)點(diǎn)間距離的給定有兩種：相鄰點(diǎn)間距離和各計數(shù)點(diǎn)到O點(diǎn)的距離，計算時后者要先轉(zhuǎn)換為前者，如圖所示． 3．常見錯誤 對紙帶進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，常見的錯誤有：(1)誤認(rèn)為T＝0.02 s，沒有注意到圖中相鄰計數(shù)點(diǎn)之間有幾個點(diǎn)沒畫出．(2)沒有進(jìn)行單位換算，圖中各數(shù)據(jù)的單位都是cm，應(yīng)當(dāng)換算為m. 【變式跟蹤2】 (2013淮陰中學(xué)測試)在研究某小車運(yùn)動狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)中，如圖1－4－5所示為一次記錄小車運(yùn)動情況的紙帶，圖中A、B、C、D為依次打下的相鄰的計數(shù)點(diǎn)，且相鄰計數(shù)點(diǎn)間的時間間隔T＝0.1 s. 圖1－4－5 (1)由紙帶可以判定小車做

8、________運(yùn)動，因?yàn)椋篲____________________________ ____________________________________________________________________. (2)根據(jù)紙帶可以計算C點(diǎn)的瞬時速度，vC＝________ m/s. (3)根據(jù)紙帶可以計算出該小車的加速度大小為a＝________ m/s2. 解析　由紙帶分析可得小車在連續(xù)相等的時間間隔內(nèi)的相鄰位移之差恒定，所以小車做勻加速直線運(yùn)動；vC＝＝4.4 m/s.a＝(CD－BC)/T2＝12 m/s2. 答案　(1)勻加速直線　小車在連續(xù)相等的時間間隔內(nèi)

9、的相鄰位移之差恒定 (2)4.4　(3)12 【典例3】 (2013蘇錫常鎮(zhèn)四市聯(lián)考)在暗室中用如圖1－4－6所示的裝置做“測定重力加速度”的實(shí)驗(yàn)． 圖1－4－6 實(shí)驗(yàn)器材有：支架、漏斗、橡皮管、尖嘴玻璃管、螺絲夾子、接水鋁盒、一根熒光刻度的米尺、頻閃儀． 具體實(shí)驗(yàn)步驟如下： ①在漏斗內(nèi)盛滿清水，旋松螺絲夾子，水滴會以一定的頻率一滴滴地落下． ②用頻閃儀發(fā)出的白閃光將水滴流照亮，由大到小逐漸調(diào)節(jié)頻閃儀的頻率直到第一次看到一串仿佛固定不動的水滴． ③用豎直放置的米尺測得各個水滴所對應(yīng)的刻度． ④采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理． (1)實(shí)驗(yàn)中看到空間有一串仿佛固定不動的水滴時，頻閃儀

10、的閃光頻率滿足的條件是：___________________________________________________________________ _____________________________________________________________________. (2)實(shí)驗(yàn)中觀察到水滴“固定不動”時的閃光頻率為30 Hz，某同學(xué)讀出其中比較圓的水滴到第一個水滴的距離如圖1－4－7所示，根據(jù)數(shù)據(jù)測得當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭＝______ m/s2；第8個水滴此時的速度v8＝________ m/s(結(jié)果都保留三位有效數(shù)字)． 圖1－4－7 (3)該實(shí)驗(yàn)存

11、在的系統(tǒng)誤差可能有(答出一條即可)：__________________________． 解析　(1)當(dāng)頻閃儀閃光頻率等于水滴滴落的頻率時，才能看到空間有一串仿佛固定不動的水滴． (2)根據(jù)圖示距離可知x1＝(19.30－13.43)cm＝5.8710－2 m、x2＝(26.39－19.30)cm＝7.0910－2 m、x3＝(34.48－26.39)cm＝8.0910－2 m、x4＝(43.67－34.48)cm＝9.1910－2 m，閃光周期T＝ s，利用逐差法測得當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭＝＝9.72 m/s2，第8個水滴此時的速度v8＝3010－2 m/s＝2.28 m/s. (3)該實(shí)

12、驗(yàn)存在系統(tǒng)誤差的原因可能有空氣阻力、水滴滴落的頻率變化、米尺沒有豎直放置等． 答案　(1)頻閃儀頻率等于水滴滴落的頻率 (2)9.72　2.28 (3)存在空氣阻力(或水滴滴落的頻率變化) 【變式跟蹤3】 (2013廣州聯(lián)考)物理小組在一次探究活動中測量滑塊與木板之間的動摩擦因數(shù)．實(shí)驗(yàn)裝置如圖1－4－8甲所示，打點(diǎn)計時器固定在斜面上，滑塊拖著穿過打點(diǎn)計時器的紙帶從斜面上滑下．圖乙是打出的紙帶的一段． 圖1－4－8 (1)已知打點(diǎn)計時器使用的交流電頻率為50 Hz，選A、B、C、D、E、F、G等7個點(diǎn)為計數(shù)點(diǎn)，且各計數(shù)點(diǎn)間均有一個點(diǎn)沒有畫出．滑塊下滑的加速度a＝________

13、m/s2. (2)為測量動摩擦因數(shù)，下列物理量中還應(yīng)測量的有________．(填入所選物理量前的字母) A．木板的長度L B．木板的末端被墊起的高度h C．木板的質(zhì)量m1 D．滑塊的質(zhì)量m2 E．滑塊運(yùn)動的時間t (3)測量第(2)問中所選定的物理量需要的實(shí)驗(yàn)器材是________． (4)滑塊與木板間的動摩擦因數(shù)μ＝________(用所測物理量表示，重力加速度為g)．與真實(shí)值相比，測量的動摩擦因數(shù)________(填“偏大”或“偏小”)．寫出支持你看法的一個論據(jù)：______________________________． 解析　(1)紙帶上可用數(shù)據(jù)為六個，為充分利用

14、，減小誤差，數(shù)據(jù)處理方法采用逐差法，a＝，且由“各計數(shù)點(diǎn)間均有一個點(diǎn)沒有畫出”得出T＝0.04 s，代入有a＝10－2 m/s2＝3.00 m/s2. (2)為間接測量動摩擦因數(shù)，需找出μ與a的關(guān)系，由牛頓第二定律得mgsin θ－μmgcos θ＝ma，式中θ為木板的傾角，由幾何關(guān)系sin θ＝h/L，cos θ＝/L，代入有μ＝.故還應(yīng)測的物理量有h、L. (3)測量工具為刻度尺；測量時忽略了空氣阻力或紙帶受到的摩擦力等，故測出的動摩擦因數(shù)值偏大． (4)由(2)知μ＝與真實(shí)值相比，測量值偏大．測量時忽略了紙帶與限位孔間的摩擦力或忽略了空氣阻力等(寫出一個即可)． 答案　(1)3.

15、00　(2)AB　(3)刻度尺　(4)　偏大　見解析 預(yù)測高考命題視角 以本實(shí)驗(yàn)為背景，通過改變實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)置題目，不脫離教材而又不拘泥教材，體現(xiàn)開放性、探究性等特點(diǎn)． 視角1　實(shí)驗(yàn)器材的改進(jìn) ①為了保證小車真正做勻加速直線運(yùn)動，用氣墊導(dǎo)軌長木板 ②用頻閃照相或光電計時打點(diǎn)計時器 視角2　在新情景下完善實(shí)驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)分析 1.某同學(xué)用如圖1－4－9甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置研究勻變速直線運(yùn)動． 圖1－4－9 實(shí)驗(yàn)步驟如下： A．安裝好實(shí)驗(yàn)器材； B．讓小車拖著紙帶運(yùn)動，打點(diǎn)計時器在紙帶上打下一系列小點(diǎn)，重復(fù)幾次．選 出一條點(diǎn)跡比較清晰的紙帶，從便于測量的點(diǎn)開始，每

16、五個點(diǎn)取一個計數(shù) 點(diǎn)，如圖乙中a、b、c、d等點(diǎn)； C．測出s1、s2、s3、…. 結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)步驟，請你繼續(xù)完成下列任務(wù)： (1)實(shí)驗(yàn)中，除打點(diǎn)計時器(含紙帶、復(fù)寫紙)，小車，一端附有滑輪的長木板，細(xì)繩，鉤碼，導(dǎo)線及開關(guān)外，在下列的儀器和器材中，必須使用的有________．(填選項(xiàng)代號) A．電壓合適的50 Hz交流電源　B．電壓可調(diào)的直流電源 C．秒表　D．刻度尺　E．天平　F．重錘　G．彈簧秤 H．滑動變阻器 (2)如果小車做勻加速運(yùn)動，所得紙帶如圖乙所示，則s1、s2、s3的關(guān)系是________，已知打點(diǎn)計時器打點(diǎn)的時間間隔是t，則打c點(diǎn)時小車的速度大小是_____

17、___． 解析　(2)因小車做勻加速直線運(yùn)動，所以s3－s2＝s2－s1.c點(diǎn)是bd段的時間中點(diǎn)，則c點(diǎn)的瞬時速度等于該段的平均速度．vc＝. 答案　(1)AD　(2)s3－s2＝s2－s1　 2．實(shí)驗(yàn)室利用打點(diǎn)計時器研究小滑塊做減速運(yùn)動時的運(yùn)動情況，打出如圖1－4－10所示的紙帶，打點(diǎn)計時器接在頻率為50 Hz的交流電源上．請回答下列問題： (1)紙帶的________(填“A”或“B”)端與小滑塊相連，紙帶上AB段運(yùn)動的時間為________． (2)根據(jù)紙帶請判斷該滑塊的運(yùn)動屬于________(填“勻速”或“勻減速”)直線運(yùn)動． (3)從紙帶可以測出A、B兩點(diǎn)間的距離為__

18、______，滑塊的加速度大小為________．(計算結(jié)果保留三位有效數(shù)字) 圖1－4－10 解析　(1)小滑塊做減速運(yùn)動，從紙帶上計時點(diǎn)的分布看出，從左向右，相鄰計時點(diǎn)之間的距離越來越大，因此紙帶的B端與小滑塊相連，紙帶上AB段運(yùn)動的時間為4T＝40.02 s＝0.08 s. (2)從左向右紙帶上相鄰兩計時點(diǎn)的距離之差分別為Δx1＝(5.20－3.00) cm－(3.00－1.00) cm＝0.20 cm，Δx2＝(7.60－5.20) cm－(5.20－3.00) cm＝0.20 cm，Δx3＝(10.20－7.60) cm－(7.60－5.20) cm＝0.20 cm，顯然Δ

19、x1＝Δx2＝Δx3，因此該滑塊做勻減速直線運(yùn)動． (3)紙帶上A、B兩點(diǎn)之間的距離為xAB＝(10.20－1.00)cm＝9.20 cm.由公式Δx＝aT2得滑塊運(yùn)動的加速度大小a＝＝ m/s2＝5.00 m/s2. 答案　(1)B　0.08 s　(2)勻減速　(3)9.20 cm　5.00 m/s2 3．如圖1－4－11甲所示，小車放在斜面上，車前端拴有不可伸長的細(xì)線，跨過固定在斜面邊緣的小滑輪與重物相連，小車后面與打點(diǎn)計時器的紙帶相連．起初小車停在靠近打點(diǎn)計時器的位置，重物到地面的距離小于小車到滑輪的距離．啟動打點(diǎn)計時器，釋放重物，小車在重物的牽引下，由靜止開始沿斜面向上運(yùn)動，重物

20、落地后，小車會繼續(xù)向上運(yùn)動一段距離．打點(diǎn)計時器使用的交流電頻率為50 Hz.圖乙中a、b、c是紙帶上的三段，紙帶運(yùn)動方向如箭頭所示． 圖1－4－11 (1)根據(jù)所提供紙帶上的數(shù)據(jù)，計算打c段紙帶時小車的加速度大小為________ m/s2.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) (2)打a段紙帶時，小車的加速度是2.5 m/s2.請根據(jù)加速度的情況，判斷小車運(yùn)動的最大速度可能出現(xiàn)在b段紙帶中的________段內(nèi)． 解析　a＝ m/s2 ＝5.0 m/s2，由小車拖著紙帶先加速后減速，知速度最大的一段時間內(nèi)平均速度也大，相同時間內(nèi)位移最大，故是在2.98 cm段內(nèi)． 答案　(1)5

21、.0　(2)2.98 cm 4．一小球在桌面上做勻加速直線運(yùn)動，現(xiàn)用高速攝影機(jī)在同一底片上多次曝光，記錄下小球運(yùn)動過程中在每次曝光時的位置，并將小球的位置編號，得到的照片如圖1－4－12所示．由于底片保管不當(dāng)，其中位置4處被污損．若已知攝影機(jī)連續(xù)兩次曝光的時間間隔均為1 s，則利用該照片可求出：小球運(yùn)動的加速度約為________m/s2.位置4對應(yīng)的速度為________m/s，能求出4的具體位置嗎？________________(填“能”或“不能”)．求解方法是：________________________________(不要求計算，但要說明過程)． 圖1－4－12 解析

22、　從圖中讀出5\，6之間的距離為37.5 cm－24.0 cm＝13.5 cm，2\，3之間的距離為6.0 cm－1.5 cm＝4.5 cm，利用逐差法有x56－x23＝3aT2，求出a＝3.010－2 m/s2；位置4對應(yīng)的速度為v4＝＝10－2 m/s＝910－2 m/s；欲求4的具體位置，可以采用逐差法利用(x6－x4)－(x4－x2)＝4aT2求解． 答案　3.010－2(2.810－2～3.110－2均可)　910－2　能　利用(x6－x4)－(x4－x2)＝4aT2可以求出位置4的具體位置(其他方法合理均可) 5．在做“研究勻變速直線運(yùn)動”的實(shí)驗(yàn)時，某同學(xué)得到一條用電火花計時器

23、打下的紙帶如圖1－4－13所示，并在其上取了A、B、C、D、E、F、G 7個計數(shù)點(diǎn)，每相鄰兩個計數(shù)點(diǎn)間還有4個點(diǎn)圖中沒有畫出，電火花計時器接220 V、50 Hz交流電源． 圖1－4－13 (1)設(shè)電火花計時器的周期為T，計算F點(diǎn)的瞬時速度vF的公式為vF＝________； (2)他經(jīng)過測量并計算得到電火花計時器在打B、C、D、E、F各點(diǎn)時物體的瞬時速度如下表．以A點(diǎn)對應(yīng)的時刻為t＝0，試在圖1－4－14所示坐標(biāo)系中合理地選擇標(biāo)度，作出v－t圖象，并利用該圖象求出物體的加速度a＝____________ m/s2； 對應(yīng)點(diǎn) B C D E F 速度(m/s) 0.1

24、41 0.180 0.218 0.262 0.301 圖1－4－14 (3)如果當(dāng)時電網(wǎng)中交變電流的電壓變成210 V，而做實(shí)驗(yàn)的同學(xué)并不知道，那么加速度的測量值與實(shí)際值相比________．(填“偏大”、“偏小”或“不變”) 解析　(1)利用“中間時刻的瞬時速度等于這段時間內(nèi)的平均速度”求F點(diǎn)的速度，可得vF＝； (2)用描點(diǎn)法作出v－t圖象如圖所示，由圖線的斜率求出加速度a＝＝0.40 m/s2； (3)電網(wǎng)中交變電流的電壓變化，并不改變電火花計時器的周期，故測量值與實(shí)際值相比不變． 答案　(1)　(2)見解析圖　0.40　(3)不變 13