实验三 研究自由落体运动的规律-高中物理必修第一册实验指导(通用版)

普通高中学生实验指导·物理·必修第一册（通用版） 实验三研究自由落体运动的规律 基础知识 1.(1)=0只受重力 (2)匀加速直线(4)真空(5)空气阻力自由落体运动 2.(1)加速度竖直向下(2)相同不相同减小增大9.8m/s210m/s2 巩固提升 1.D解析：物体做自由落体运动的条件是初速度为零，只受重力竖直下落，两者缺一不可，故 选项A错误；从水平飞行的飞机上释放的物体，具有水平初速度，不做自由落体运动，故选项 B错误；雨滴下落过程所受空气阻力与速度大小有关，速度增大时阻力增大，雨滴速度增大到 一定值时，阻力与重力相比不可忽略，不能认为是自由落体，故选项C错误；从水龙头上滴落 的水滴所受的空气阻力与重力相比可忽略不计，可认为只受重力作用，故选项D正确。 2.C解析：物体做自由落体运动，=g,速度相同，故选项A、B错误；根据自由落体运动的公 式=2&，=√要，落地时间与质：无关，所以两个小球同时养地，故运项C正确：两个小 球做自由落体运动，只受重力，加速度都为g,故选项D错误。 3.C解析：每隔相等的时间间隔小球依次碰到地面，可以知道第一个小球经过T时间落地，第 二个小球落地的时间为2T,依次为3T、4T。各小球经过的位移之比为1：4：9：16，由题图 知，选项C正确。 4.(1)甲(2)2.939.78（士0.02均可） 5.(1)靠近接通打点计时器的电源释放纸带 (2)乙纸带与打点计时器间的摩擦 解析：(1)使用打点计时器进行相关实验时，拖动纸带的重物应靠近打点计时器，而且应先接 通打点计时器的电源，待打点计时器打点稳定后，再释放纸带。 (2)纸带在重物的作用下，做匀加速直线运动，打点距离越来越大，而丙纸带的打点距离先增 大后减小，故应选取乙纸带进行研究。在实验操作和数据都正确的情况下，得到的结果小于 当地的重力加速度的主要原因是空气阻力和纸带与打点计时器间的摩擦。 6.I)CDEFGHJK(2)连续相等时间段内的位移差△x(3)g=[或(I)AKLN(2)照 片上相邻两像间距差△x《3)g=会（为物像比，为闪光周期] 解析：令物体做自由落体运动，记录它在不同时刻的位置，测出各段位移，利用△x=g即可 求得g。 方案一：重物连上纸带后让重物自由下落，利用打点计时器打下一系列的点，测出相邻相等时 间段内的位移差△x,则g音。 参考答案 方案二：让小球做自由落体运动，利用闪光照相机摄下一系列照片，测出相邻两像间的距离差 △x,已知闪光周期o,物像比k,用g=公即可求得。 t培 2z80不相等 解析：由自由落体运动知识知x一78肚，则1一√图 。根据最长反应时间为0.4s,不难得出 直尺的最小长度为80cm。由于自由落体运动是匀变速直线运动，所以相等时间内位移不相 等，即直尺对应的长度不相等。 8.(1)打点计时器没有接交流电源开始时重物没有靠近打点计时器(2)，：9.4 2T 解析：(1)打点计时器使用交流电源，而此题中使用的是直流电源；重物离打点计时器太远，这 样会导致纸带上打点很少，不利于减小误差。 (2)匀变速直线运动中某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度，故打下E点时的速 度g一-么2产，根据一6-2a得。-2十成，故可知在题图丙中的图线斜术表示 2g,所以有2g=k=18.8,解得重力加速度g=9.4m/s2。 9.7.4×10-2s 48 解析：方法一：B端到达小孔O所需的时间为t1,发生的位移为x1;A端到 达小孔O所需的时间为t2,铁链长度L=0.49m,B端发生的位移为x2 2.45m 2.45m,由图可知石--L-1.96m,=gix。-8经. 由以上三式解得t=t2-t1≈7.4×10-2s。 0 方法二：当铁链的B端到达小孔O和铁链的A端离开小孔O时，铁链下 降的高度分别为x1和x2,它们经过小孔O的速度分别为1和2，则=√2gx1,2= √2g2。铁链经过小孔O的时间为，位移为铁链的长度L,则有t二L=L 2L ”十边千%代人 2 数据得≈7.4×10-2s。 实验四探究弹簧弹力与形变量的关系 基础知识 1.相等伸长量x 2.弹力大小F弹簧的伸长量x平滑的曲线 3.(1)在弹性限度内正比(2)F=kx(3)在弹性限度内改变量弹簧本身(4)坐标 原点 巩固提升 1.D解析：弹力产生的条件是两物体接触和接触面发生弹性形变，弹性形变和弹力同时发生。 故选D。实验三 实验三 研究自由落体运动的规律 实验目标 1.知道自由落体运动的条件。 2.研究自由落体运动的性质。 3.学习一种测量重力加速度的方法。 基础知识 1.自由落体运动 (1)条件：初速度： ,受力： 0 (2)实质：=0、a=g的 运动。 (3)研究方法：打点计时器或频闪照相。 (4)严格地讲，只有在 中才能发生自由落体运动。 (5)在有空气的空间里，当空气阻力对运动的影响可以忽略不计时，即物体所 受的重力远大于 时，物体下落的运动可以近似看作 2.自由落体加速度g (1)定义：在同一地点，一切物体在自由落体运动中的 都相同，这个加 速度叫作自由落体加速度，又叫重力加速度，符号为g。自由落体加速度的方向总 是 的。 (2)g的数值：在地球上的同一个地方，g的值 ,在地球上的不同地方g 的值 。 g值随高度增大而 随纬度增大而 ,在通常的计算中 g取 ,粗略计算时g取 【实验材料】 打点计时器（带导线）、纸带、复写纸、带铁夹的铁架台、几个质量不同的重物、 夹子、低压交流电源、毫米刻度尺 普通高中学生实验指导·物理·必修第一册（通用版） 实验过程 (1)如图所示，把打点计时器竖直固定在铁架台上，连接好电源。 氏带 接电源而 铁夹 重物 (2)取大约0.6m长的纸带一条，把纸带的一端穿过打点计时器的限位孔，用 挂有重物的夹子夹住，用手把纸带的另一端竖直提起，使夹子停靠贴近在打点计时 器的下端。 (3)接通电源开头，果断松开纸带，让重物自由下落，打点计时器在纸带上打出 一系列计时点。 (4)从夹子上取下纸带，观察纸带上的计时点是否清晰，如果不够清晰，再重复 实验。 (5)挑选点迹清晰的纸带，舍弃前面点迹密集的部分，从点迹间隔合适的地方 开始取测量点0，随后，每隔1个（或2个）计时点为一个测量点，分别标注1、2、…， 这样，测量点之间的时间间隔△t=0.04s（或△t=0.06s)。 (6)用刻度尺测量出各个测量点到0的距离。 (7)整理实验仪器。 (8)选择求证重物运动性质的方法，并进行证明。 (9)确定求物体下落加速度的方法，计算加速度。 反思总结 (1)为了减少空气阻力的影响，重物应选密度大、体积小的物体，如铁锤等。 (2)打点计时器应竖直固定好，使其两限位孔在同一竖直平面内，以减小重物 带着纸带下落时所受的阻力作用。 22 实验三 (3)实验时，手应提着纸带的最上端，且让纸带处于竖直状态，以减小阻力 作用。 (4)重物应靠近打点计时器释放，且要先接通打点计时器的电源，再放手让重 物下落。 (5)选点迹清晰且在一条直线上的纸带进行测量。 典型例题 例（多选）某同学仿照“探究小车速度随时间变化的规律”这一实验，利用如 图所示的装置测量重物做自由落体运动的加速度。对该实验装置及其操作的要 求，下列说法正确的是 () 打点计时器 纸带 节夹子 总重物 A.电磁打点计时器应接不高于6V的交流电源 B.打点计时器的两个限位孔应在同一竖直平面内 C.重物最好选用密度较小的材料，如泡沫塑料 D.开始时应使重物靠近打点计时器处并保持静止 E.操作时，应先放开纸带后接通电源 F.为了减小误差，应重复多次实验，在打出的纸带中挑选一条最清晰的 G.为了便于测量，一定要找到打点计时器打下的第一个点，并选取其以后各连 续的点作为计数点 【解析】电磁打点计时器应该接在4~6V的交流电源上，选项A正确；打点计 时器的两个限位孔应在同一竖直平面内，以减小摩擦力的影响，选项B正确；重物 最好选用密度较大的材料，来减小阻力的影响，选项C错误；开始时应使重物靠近 打点计时器处并保持静止，先接通电源，再释放纸带，选项D正确，选项E错误；为 了减小误差，应重复实验多次，在打出的纸带中挑选一条最清晰的进行测量，选项F 23 普通高中学生实验指导·物理·必修第一册（通用版） 正确；为了便于测量，从点迹清晰的点开始取，点，并选取其以后各连续的，点作为计 数点，选项G错误。 【答案】ABDF 巩固提升 1.关于自由落体运动，下列说法中正确的是 () A.从静止开始下落的物体都做自由落体运动 B.从水平飞行的飞机上释放的物体将做自由落体运动 C.雨滴下落的过程是自由落体运动 D.从水龙头上滴落的水滴的下落过程，可以近似看成自由落体运动 2.如图所示，质量不同的两个小球从同一高度同时做自由落体运动，则 7nm1777 A.质量大的小球下落得快 B.质量小的小球下落得快 C.两个小球下落的时间相同 D.两个小球下落的加速度不同 3.如图所示，四个小球在离地面不同高度时，同时由静止释放，不计空气阻力。从 某一时刻起，每隔相等的时间间隔小球依次碰到地面，则刚开始运动时各小球相 对地面的位置可能是 () 高度 地面 地面 A ◇ 地面 7777777777 地 C D 实验三 4.甲、乙两图都是使用电磁打点计时器测量重力加速度g的装置示意图，已知该打 点计时器的打点频率为50Hz。 17 夹子 纸带」 纸带 打点计时器 16 打点计时器 夹子 3 重物 甲 乙 丙 (1)甲、乙两图相比较，图 所示的装置更合理。 (2)丙图是采用较合理的装置并按正确的实验步骤进行实验打出的一条纸带，其 中打出的第一个点标为1，后面依次打下的一系列点迹分别标为2、3、4、5…经测 量，第15点至第17点间距离为11.70cm,第1点至第16点间距离为43.88cm,则 打下第16个点时，重物下落的速度大小为 m/s,测出的重力加速度值为 8= m/s2。（要求保留三位有效数字) 5.某同学使用打点计时器测量当地的重力加速度。 (1)请完成以下主要实验步骤：按图甲安装实验器材并连接电源；竖直提起系有 重物的纸带，使重物 (选填“靠近”或“远离”)打点计时器下端； 使重物自由下落；关闭电源，取出纸带；换新纸带重复实验。 (2)图乙和图丙是实验获得的两条纸带，应选取 (选填“乙”或“丙”)来计 算重力加速度，在实验操作和数据处理都正确的情况下，得到的结果仍小于当地 的重力加速度，主要原因是空气阻力和 打点计时器 电源 重物 777777777 甲 乙 丙 25 普通高中学生实验指导·物理·必修第一册（通用版） 6.现给定以下器材： A.闪光照相机B.停表C.打点计时器D.交流电源4~6VE.导线若干 F.纸带G.复写纸H.铁架台I.游标卡尺J.重物K.刻度尺 L.直径为1cm的钢球M.1m长的细线N.照相底片 设计一个测当时重力加速度g的实验方案。 (1)从给定器材中选 (填器材前面的字母)作为实验器材。 (2)需要测量的物理量是 (3)用你测量出的物理量写出重力加速度g的表达式： 7.同学们利用如图所示方法估测反应时间。 首先，甲同学捏住直尺上端，使直尺保持竖直状态，直尺零刻度线 甲同学 位于乙同学的两指之间。当乙看见甲放开直尺时，立即用手指捏 直尺，若捏住位置的刻度读数为x,则乙同学的反应时间为 乙同学 (重力加速度为g)。 基于上述原理，某同学用直尺制作测量反应时间的工具，若测量 范围为0~0.4s,则所用直尺的长度至少为 cm(g取10m/s2);若以相等 时间间隔在该直尺的另一面标记出表示反应时间的刻度线，则每个时间间隔在 直尺上对应的长度是 (选填“相等”或“不相等”)的。 8.某同学利用如图甲所示的实验装置测量重力加速度。 将纸带 由静止 打点释放 计时器 纸 ↑v2(m2·s-2) 8.3 3.6 学生电源 2重 口物 0.25h/m 甲 丙 (1)请指出该同学在实验操作中存在的两处错误： a. b. (2)该同学经正确操作后得到如图乙所示的纸带，取连续的六个点，测得1、h2、 h3、h4、h5。若打点的周期为T,则打E点时速度vE= ;若分别计算出各 26 实验三 计数点对应的速度数值，并在坐标系中画出2与h的关系图线，如图丙所示，则 重力加速度g= m/s2。 9.一条铁链AB长0.49m,悬于A端静止，然后让它自由下落，求整个铁链通过悬 点下方2.45m处的小孔O需要的时间。(g取10m/s2) 相关阅读 伽利略对落体运动的研究 1.延续了两千年的错误认识 古希腊的学者们认为，物体下落的快慢是由它们的重量决定的，物体越重， 下落得越快。生活在公元前四世纪的古希腊哲学家亚里士多德最早阐述了这 种看法，他认为，物体下落的快慢精确地与它们的重量成正比。亚里士多德的 论断影响深远，在其后两千多年的时间里，人们一直信奉他的学说。但是，这种 从表面上的观察得出的结论实际上是错误的。 2.伽利略对自由落体运动的研究 16世纪，意大利学者伽利略对亚里士多德的看法提出了质疑，并对自由落 体运动进行了深入的研究。伽利略对自由落体运动的研究方法大体可归结为 以下几点。 发现问题：伽利略发现亚里士多德的观点有自相矛盾的地方。伽利略认 为，如果亚里士多德的观点是对的，即重物比轻物下落得快，那么把重物和轻物 拴在一起下落，它们将是什么结果呢？按照亚里士多德的说法，重物下落得快， 轻物下落得慢，由于两物体拴在一起，“快的”被“慢的”拉着，“慢的”被“快的”拖 着，所以两物体拴在一起的速度应是不快不慢。同样，按照亚里士多德的说法， 两物体拴在一起，应该是更重了，那它们应该下落得更快。这两个结论都是由 亚里士多德的论断推出来的，但得到的却是互相矛盾的结果。可见，亚里士多 德的观点是错误的。 普通高中学生实验指导·物理·必修第一册（通用版） 提出假设：伽利略认为，重物与轻物应该下落得同样快。他猜想落体运动 应该是一种最简单的变速运动，物体的速度应该是均匀变化的。但是，速度的 变化怎样才算是均匀的呢？他考虑了两种可能：一种是速度的变化对时间来说 是均匀的，即与t成正比；另一种是速度的变化对位移来说是均匀的，即与 x成正比。 实验验证：为了便于测量时间，伽利略设法用斜面做实验。他在木制斜槽 上蒙上羊皮纸，让铜球从光滑的羊皮纸斜槽上滚下，通过上百次对不同质量的 小球沿不同倾角的光滑斜面滚下的定量研究，发现小球沿光滑斜面运动时通过 的位移x确实与t成正比，小球的运动是匀变速直线运动，且倾角不同，小球 的加速度不同，倾角越大加速度越大。 合理外推：伽利略将他在斜面实验中得出的结论做了合理的外推：设想斜 面的倾角越接近90°，小球沿斜面滚下的运动就越接近于自由落体运动；当斜面 的倾角达到90°时，小球就做自由落体运动。从而，自由落体运动是初速度为零 的匀加速直线运动，且所有物体自由下落时的加速度都相同。 3.从伽利略看科学与社会 教材在本节“STSE”栏目中讲述了“从伽利略的一生看科学与社会”这一问 题，建议认真读一读。文中提到：文艺复兴的精神打破了束缚人们思想的桎梏， 激发了人们对自然的兴趣和对自然的探索。活跃在人们心中的各种思想，终于 得到实在的结果。而教会对科学的干涉和对伽利略的迫害则造成了严重后果。 以前一直人才辈出的意大利，在伽利略去世后，它的科学活动很快地衰落下去 了。这说明，没有学术的民主和思想的自由，科学就不能繁荣。 4.重物下落引发的两个有趣问题 1969年美国实现登月，这是人类首次登月成功。在一次登月活动中，宇航 员David R.Scott在月球上证实了榔头与羽毛下落一样快，月球的引力加速度 为1.67m/s2。 1922年美国人厄阜等做了重物下落的细微实验，发现重力加速度随不同 材料大约有1%的变化。1986年菲斯巴赫等人认为，物体与物体之间除引力外 还存在微小的排斥力，称为超负载力。美国马萨诸塞大学的约·多诺古和假斯 坦导出了不同物体下落加速度不同的结论，认为引力加速度与质量和温度有 关。这个问题现在还没有最终定论。