高考物理经典习题：第1章运动的描述匀变速直线运动的研究 实验一 探究小车速度随时间变化的规律（含解析）

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1、实验一探究小车速度随时间变化的规律1.实验器材电火花计时器(或电磁打点计时器)、一端带有滑轮的长木板、小车、纸带、细绳、槽码、刻度尺、导线、电源、复写纸。2.实验原理(如图1所示)图13.实验步骤(1)按照如图所示实验装置，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，下端挂合适的槽码，纸带穿过打点计时器，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，后放开小车。(4)小车运动一段时间后，断开电源，取下纸带。(5)换纸带重复实验三次，选择一条比较理想的纸带进行测量分析。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

2、验中应先接通电源，后让小车运动；实验完毕应先断开电源，后取下纸带。(3)防止碰撞：在到达长木板末端前应让小车停止运动，防止槽码落地及小车与滑轮相撞。(4)减小误差：小车的加速度宜适当大些，可以减小长度测量的相对误差，计算加速度大小时以能在约50 cm的纸带上清楚地取出67个计数点为宜。(5)小车从靠近打点计时器位置释放。1.依据纸带判断物体是否做匀变速直线运动(1)x1、x2、x3xn是相邻两计数点间的距离。(2)x是两个连续相等的时间内的位移差：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

3、)xaT2，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。2.数据处理(1)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。(2)利用逐差法求解平均加速度a1，a2，a3a。(3)利用平均速度求瞬时速度：vn。(4)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；剪下相邻计数点的纸带紧排在一起求解加速度。命题点一教材原型实验【例1】 (20211月重庆市学业水平选择性考试适应性测试，11)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

4、带上每5个点标记一个计数点，标记结果如图2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：图2(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。答案(1)0.1(2)0.165(3)0.5解析(1)打点计时器的打点周期为T0.02 s相邻计数点之间的时间间隔t5T0.1 s。(2)匀变速直线运动中，中间时刻速度等于平均速度，所以B点速度为vB0.165 m/s。(3)根据逐差法求解加速度a m/s20.5 m/s2。【变式1】 (2020江苏盐城市

5、第三次模拟)小华同学在“探究小车速度随时间变化的规律”实验中，选出了如图3甲所示的一条纸带(每两个点间还有4个点没有画出)。打点计时器的电源频率为50 Hz。甲乙图3(1)根据纸带上的数据，计算E点时小车的瞬时速度并填入表中。位置ABCDEv/(ms1)0.610.811.001.18(2)小华同学根据实验数据在图乙中画出了小车的图像。请你根据vt图像判断小车做的是_(填写序号)A.匀速直线运动B.匀变速直线运动C.非匀变速直线运动(3)小红同学用以下方法绘制了小车运动的vt图像：第一，先把纸带每隔0.1 s剪断，得到若干短纸条；第二、再把这些纸条并排贴在一张纸上，使这些纸条下端对齐，作为时间

6、坐标轴，标出时间；第三，将纸条上端中心连起来，于是得到vt图像。请回答这样做_(选填“可行”“不可行”)，简要说明其理由_。答案(1) 1.39(2)B(3)可行见解析解析(1)相邻两点间的时间间隔为T0.1 s，则E点的速度vE m/s1.39 m/s(2)根据vt图像可知小车做的是匀变速直线运动，故选B。(3)该做法是可行的；因为剪断的纸带所用的时间都是t0.1s，即时间t相等，所以纸带的长度之比等于此段纸带的平均速度之比；而此段纸带的平均速度等于这段纸带中间时刻的速度。最后得出结论：纸带的长度之比等于此段纸带的平均速度之比，还等于各段纸带中间时刻的速度之比，即纸带的高度之比等于中间时刻速

7、度之比，因此该做法是合理的。【变式2】 (2020广东潮州市第二次模拟)在做“研究匀变速直线运动”的实验时，某同学得到一条用打点计时器打下的纸带，如图4所示，各个计数点已经在纸带上标出，图中每相邻两个计数点间还有4个点没有画出，打点计时器接频率f50 Hz的交流电源。图4(1)该实验_平衡摩擦力，_满足钩码的质量远远小于木块的质量(填“需要”“不需要”)；(2)打下计数点6时纸带的速度v6_(用给定字母表示)；(3)物体加速度为a_(用给定字母表示)；(4)如果交变电流的频率f50 Hz，但当时做实验的同学并不知道，那么测得的加速度值比真实值_(选填“偏大”或“偏小”)。答案(1)不需要不需要

8、(2)(3)(4)偏小解析(1)本实验是研究匀变速直线运动的规律，即只需要测出木块运动的加速度和速度，而不需要测出合力的大小，故不需要平衡摩擦力，也不需要满足钩码的质量远远小于木块的质量。(2)相邻计数点有四个点没有画出，则时间间隔为t5T根据匀变速直线运动的平均速度等于中间时刻的瞬时速度，有v6。(3)根据匀变速直线运动的判别式有x3x14a1t2x4x24a2t2可求得平均加速度为a。(4)根据匀变速直线运动的判别式可知加速度的测量值为axf2故频率f50 Hz时，测量值的频率偏小，所求得的加速度偏小。命题点二实验拓展创新1.高考启示高考实验题一般源于教材而不拘泥于教材，是在教材实验的基础

9、上创设新情景。因此，要在夯实教材实验的基础上注意迁移和创新能力的培养，善于用教材中实验的原理、方法和技巧处理新问题。2.情景拓展3.数据处理(1)加速度的获得：靠重物的拉力获得加速度长木板倾斜靠重力获得加速度。(2)速度的测量方法：由打点纸带求速度测定遮光片的宽度d和遮光片通过光电门的挡光时间t，由v求速度。(3)加速度的测量方法：由打点纸带利用逐差法求加速度利用经过两个光电门的瞬时速度，由速度位移关系式求加速度。类型1实验情景创新【例2】 (2017全国卷，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。

10、(c)图5实验步骤如下：如图5(a)，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；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t；用s表示挡光片沿运动方向的长度如图(b)所示，表示滑块在挡光片遮住光线的t时间内的平均速度大小，求出 ；将另一挡光片换到滑块上，使滑块上的挡光片前端与中的位置相同，令滑块由静止开始下滑，重复步骤、；多次重复步骤；利用实验中得到的数据作出 t图，如图(c)所示。完成下列填空：(1)用a表示滑块下滑的加速度大小，用vA表示挡光片前端到达光电门时滑块的瞬时速度大小，则与vA、a

11、和t的关系式为 _；(2)由图(c)可求得vA_ cm/s，a_ cm/s2(结果保留3位有效数字)。答案(1)vAat(2)52.116.3解析(1)设挡光片末端到达光电门的速度为v，则由速度与时间关系可知vvAat，且联立解得：vAat。(2)将图线延长交纵轴52.1 cm/s处，即为vA，vA52.1 cm/s，图线的斜率ka cm/s28.14 cm/s2，即a16.3 cm/s2。【变式3】 (2020广东广州市天河区三模热身)用图6甲所示的实验装置来测量匀变速直线运动的加速度。图6(1)实验的主要步骤：用游标卡尺测量遮光片的宽度d，结果如图乙所示，读得d_mm；用刻度尺测量A点到光

12、电门所在位置B点之间的水平距离x；滑块从A点静止释放(已知砝码落地前遮光片已通过光电门)；读出遮光片通过光电门所用的时间t；改变光电门的位置，滑块每次都从A点静止释放，测量相应的x值并读出t值。(2)根据实验测得的数据，以x为横坐标，为纵坐标，在坐标纸中作出x图线如图7所示，求得该图线的斜率k_m1s2；由此进一步求得滑块的加速度a_ms2。(计算结果均保留3位有效数字)图7答案(1)6.60(2)2.38104(3)0.518解析(1)主尺刻度为6 mm，分尺刻度为0.05 mm120.60 mm，最终刻度为6.60 mm。(2)滑块通过光电门的瞬时速度为v，根据速度位移公式得v22ax，有

13、2ax，整理得，根据图像知图线的斜率为k2.38104 m1s2；根据k 得a m/s20.518 m/s2。类型2实验方法拓展测重力加速度【例3】 (2019全国卷，22)甲、乙两位同学设计了利用数码相机的连拍功能测重力加速度的实验。实验中，甲同学负责释放金属小球，乙同学负责在小球自由下落的时候拍照。已知相机每间隔0.1 s拍1幅照片。(1)若要从拍得的照片中获取必要的信息，在此实验中还必须使用的器材是_。(填正确答案标号)A.米尺 B.秒表 C.光电门 D.天平(2)简述你选择的器材在本实验中的使用方法。答：_(3)实验中两同学由连续3幅照片上小球的位置a、b和c得到ab24.5 cm、a

14、c58.7 cm，则该地的重力加速度大小为g_m/s2。(保留2位有效数字)答案(1)A(2)将米尺竖直放置，使小球下落时尽量靠近米尺(3)9.7解析(1)利用频闪照片测重力加速度时需要测量小球下落的距离，因此实验时必须使用米尺。(2)将米尺竖直放置，小球靠近米尺下落，从照片上直接读出小球下落的距离。(3)根据xgT2得重力加速度大小g m/s29.7 m/s2。【变式4】 (20211月湖南普高校招生适应性考试，11)某同学利用滑块在气垫导轨上的运动测量当地的重力加速度。如图8(a)所示，所用器材包括：气垫导轨、滑块(上方安装有宽度为d的遮光片)、数字计时器、光电门等。导轨下方两支点间的距离

15、为l。实验步骤如下：图8(1)开动气泵，调节气垫导轨，轻推滑块，当光电门A记录的遮光时间_(填“大于”“小于”或“等于”)光电门B记录的遮光时间时，可认为气垫导轨水平；(2)用游标卡尺测量遮光片宽度d，如图(b)所示，d_ cm；(3)在导轨左支点下加一高度为h的垫块，让滑块从导轨顶端滑下，记录遮光片经过A、B两处光电门的遮光时间t1、t2及遮光片从A运动到B所用的时间t12，可求出重力加速度g_(用题中给出的物理量符号表示)；(4)分析实验结果发现，重力加速度的测量值比该地的实际值偏小，写出一条产生这一结果的可能原因：_。答案(1)等于(2)0.304(3)()(4)测量遮光片宽度d偏小(或测量运动时间偏大，或气垫导轨未调水平)解析(3)vAvBaagsin g联立得：g()。