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第5課時實驗一:探究小車速度隨時間變化的規(guī)律目標要求1.會正確使用打點計時器,學會利用紙帶上的點跡求物體的速度和加速度。2.掌握判斷物體是否做勻變速直線運動的方法??键c一實驗技能儲備一、打點計時器1.作用:計時儀器,當所用交變電源的頻率f=50Hz時,每隔________s打一次點。2.結(jié)構(gòu)(1)電磁打點計時器(如圖)(2)電火花計時器(如圖)3.工作條件:eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(電磁打點計時器:交變電源,電火花計時器:交變電源))二、實驗:探究小車速度隨時間變化的規(guī)律1.實驗器材電火花計時器(或電磁打點計時器)、一端附有滑輪的長木板、小車、紙帶、細繩、槽碼、______、導線、________電源。2.實驗過程(1)按照實驗裝置,把打點計時器固定在長木板________的一端,接好電源;(2)把一細繩系在小車上,細繩繞過滑輪,下端掛合適的槽碼,紙帶穿過打點計時器,固定在小車后面;(3)把小車停在靠近打點計時器處,先______,后____________;(4)小車運動一段時間后,斷開電源,取下紙帶;(5)更換紙帶重復實驗三次,選擇一條比較理想的紙帶進行測量、分析。3.數(shù)據(jù)處理(1)求小車的速度與加速度①利用平均速度求瞬時速度:vn=eq\f(xn+xn+1,2T)=eq\f(dn+1-dn-1,2T)。②利用逐差法求解平均加速度a1=eq\f(x4-x1,3T2),a2=eq\f(x5-x2,3T2),a3=eq\f(x6-x3,3T2),則a=eq\f(a1+a2+a3,3)=eq\f(x4+x5+x6-x1+x2+x3,9T2)③利用速度-時間圖像求加速度a.作出速度-時間圖像,通過圖像的斜率求解小車的加速度;b.剪下相鄰計數(shù)點的紙帶緊排在一起求解加速度。(2)依據(jù)紙帶判斷小車是否做勻變速直線運動①x1、x2、x3、…、xn是相鄰兩計數(shù)點間的距離。②Δx是兩個連續(xù)相等的時間內(nèi)的位移差:Δx1=x2-x1,Δx2=x3-x2,…。③若Δx等于恒量(aT2),則說明小車做勻變速直線運動。④Δx=aT2,只要小車做勻變速直線運動,它在任意兩個連續(xù)相等的時間間隔內(nèi)的位移之差就一定相等。4.注意事項(1)平行:紙帶、細繩要與長木板平行。(2)兩先兩后:實驗中應先接通電源,后讓小車運動;實驗完畢應先斷開電源,后取下紙帶。(3)防止碰撞:在到達長木板末端前應讓小車停止運動,防止槽碼落地及小車與滑輪相撞。(4)減小誤差:小車的加速度應適當大些,可以減小長度測量的相對誤差,加速度大小以能在約50cm的紙帶上清楚地取出6、7個計數(shù)點為宜。(5)小車從靠近打點計時器位置釋放。5.誤差分析(1)紙帶運動時摩擦力不均勻,打點不穩(wěn)定引起誤差。(2)計數(shù)點間距離的測量有偶然誤差。(3)作圖有誤差。例1某班同學利用如圖甲所示裝置“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”,電火花計時器使用的是頻率為50Hz的交變電源。(1)電火花計時器的工作電壓為________(選填“8V”或“220V”)。安裝紙帶時,需要將紙帶置于________________________(選填“復寫紙”或“墨粉紙盤”)的________(選填“上方”或“下方”)。(2)下列說法中正確的是________。A.實驗時,先釋放紙帶,再接通電源B.實驗時,先接通電源,待打點穩(wěn)定后,再釋放紙帶C.實驗時,先接通電源或先釋放紙帶都可以D.紙帶上打點越密集說明紙帶運動速度越大(3)第1個實驗小組所得紙帶上打出的部分計數(shù)點如圖乙所示(每相鄰兩個計數(shù)點間還有4個點,圖中未畫出)。x1=3.59cm,x2=4.41cm,x3=5.19cm,x4=5.97cm,x5=6.78cm,x6=7.64cm。則小車的加速度a=________m/s2(要求充分利用測量的數(shù)據(jù)),打點計時器在打B點時小車的速度vB=________m/s。(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)(4)第2個實驗小組計算出所得c紙帶上各計數(shù)點對應的速度后,在坐標系中描出的點如圖丙所示,請根據(jù)這些點在圖丙中作出v-t圖像,并根據(jù)圖像計算出小車運動的加速度a=________m/s2。(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)考點二探索創(chuàng)新實驗1.實驗裝置的創(chuàng)新用頻閃照相的方法、滴水法或光電計時器、手機錄像代替打點計時器。通過以上裝置的改進能最大限度地減少因長木板和打點計時器的限位孔的阻力而導致的小車加速度不恒定,使小車盡可能做勻加速直線運動,以提高實驗的精確度。2.實驗處理的創(chuàng)新通過圖像處理數(shù)據(jù),如畫eq\f(x,t)-t圖像、eq\f(1,t2)-x圖像來處理數(shù)據(jù),由圖像中的斜率、截距來確定與初速度、加速度的聯(lián)系,從而求出初速度、加速度等物理量。例2為了測定斜面上小車下滑的加速度,某實驗小組利用DIS(數(shù)字化信息系統(tǒng))技術(shù)進行實驗,如圖所示。當裝有寬度為d=2cm的遮光條的小車經(jīng)過光電門時,系統(tǒng)就會自動記錄擋光時間,并由相應軟件計算遮光條經(jīng)過光電門的平均速度來表示瞬時速度。某次實驗中,小車從距離光電門中心為L處由靜止釋放,遮光條經(jīng)過光電門的擋光時間為T=0.04s。(1)計算經(jīng)過光電門時小車的速度為____m/s。(2)試寫出計算小車下滑的加速度a的表達式:__________________(用d、T和L表示)。(3)若L=0.5m,則小車下滑的加速度為__________m/s2。(4)測量計算出來的加速度比真實的加速度__________(選填“偏大”“偏小”或“相等”)。例3(2020·江蘇卷·11改編)小明同學在家自主開展實驗探究。用手機拍攝物體自由下落的視頻,得到分幀圖片,利用圖片中小球的位置來測量當?shù)氐闹亓铀俣?,實驗裝置如圖甲所示。(1)家中有乒乓球、小塑料球和小鋼球,其中最適合用作實驗中下落物體的是________。(2)下列主要操作步驟的正確順序是________。(填寫各步驟前的序號)①把刻度尺豎直固定在墻上②捏住小球,從刻度尺旁靜止釋放③手機固定在三腳架上,調(diào)整好手機鏡頭的位置④打開手機攝像功能,開始攝像(3)停止攝像,從視頻中截取三幀圖片,圖片中的小球和刻度如圖乙所示。已知所截取的圖片相鄰兩幀之間的時間間隔為eq\f(1,6)s,刻度尺的分度值是1mm,由此測得重力加速度為_____m/s2。(4)在某次實驗中,小明釋放小球時手稍有晃動,視頻顯示小球下落時偏離了豎直方向。從該視頻中截取圖片,________(填“仍能”或“不能”)用(3)問中的方法測出重力加速度。例4(2023·全國甲卷·23)某同學利用如圖(a)所示的實驗裝置探究物體做直線運動時平均速度與時間的關(guān)系。讓小車左端和紙帶相連。右端用細繩跨過定滑輪和鉤碼相連。鉤碼下落,帶動小車運動,打點計時器打出紙帶。某次實驗得到的紙帶和相關(guān)數(shù)據(jù)如圖(b)所示。(1)已知打出圖(b)中相鄰兩個計數(shù)點的時間間隔均為0.1s。以打出A點時小車位置為初始位置,將打出B、C、D、E、F各點時小車的位移Δx填到表中,小車發(fā)生相應位移所用時間和平均速度分別為Δt和eq\x\to(v),表中ΔxAD=__________cm,eq\x\to(v)AD=________cm/s。位移區(qū)間ABACADAEAFΔx(cm)6.6014.60ΔxAD34.9047.30eq\x\to(v)(cm/s)66.073.0eq\x\to(v)AD87.394.6(2)根據(jù)表中數(shù)據(jù)得到小車平均速度eq\x\to(v)隨時間Δt的變化關(guān)系,如圖(c)所示。在圖中補全實驗點。(3)從實驗結(jié)果可知,小車運動的eq\x\to(v)
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