内容正文:
第2章 匀变速直线运动
第4节 科学测量:做直线运动
物体的瞬时速度(二)
1.进一步学习使用打点计时器。2.会利用纸带求瞬时速度,会根据数据作出vt图像。3.会判断小车的运动性质,并求小车的加速度。
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目录
1
3
课后课时作业
明确原理 提炼方法
2
典例探究 提升能力
明确原理 提炼方法
一、实验目的
1.测量小车的瞬时速度。
2.判断沿斜面下滑的小车是否做匀变速直线运动。
3.学习使用打点计时器。
二、实验器材
电磁打点计时器(或电火花打点计时器)、_______交流电源(或220 V交流电源)、纸带、长木板(或轨道)、U形夹、小车、_____________。
低压
毫米刻度尺
明确原理 提炼方法
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三、实验原理与设计
1.实验装置如图甲所示。图乙是小车下滑过程中打点计时器打出的纸带。
2.在纸带上,选取便于测量的某点作为计时的起点,记为点0,依次向后每5个点选取一个_________,分别记为1,2,3,…用_________量出相邻计数点间的长度,分别记为s1,s2,s3,…由前述可知,若打点计时器的工作周期为0.02 s,那么相邻计数点间隔的时间T=________________。
计数点
刻度尺
5×0.02 s=0.10 s
明确原理 提炼方法
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3.在间隔时间很短的情况下,__________可近似视为瞬时速度。由此,根据纸带上打出的点,可计算打点计时器打下某点时小车的瞬时速度。例如,若测量打下点1时小车的瞬时速度,我们可选择点1前后附近的两个点,若这两点的间隔时间很短,则两点间的平均速度可近似视为打下点1时小车的__________。考虑到实际测量的误差,所选择的两点也不宜太近,一般可选择点0和点2。打下点1时小车的瞬时速度可近似认为等于点0至点2间的平均速度,即v1=_________。同理,可近似求出打下点2,3,…时小车的瞬时速度。
平均速度
瞬时速度
明确原理 提炼方法
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4.根据各点的瞬时速度及对应的时间,可画出vt图像。若多次反复实验后得到的图像皆近似为直线,则可初步判定小车沿斜面向下做_____________运动。根据vt图像,也可得到小车的_________。
匀变速直线
加速度
明确原理 提炼方法
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四、实验步骤
1.如图甲所示,把打点计时器固定在长
木板一端,并将该端垫高,使长木板形成斜面。
2.将长60 cm左右的纸带一端穿过打点计
时器,另一端固定于小车,尽量让小车靠近打
点计时器。
3.打开打点计时器开关,稍后(打点稳定后)释放小车,待小车滑到斜面底端时止住小车,关闭开关。取下纸带,检查点迹。若有问题,可换上新纸带,调试后重复上述步骤。
明确原理 提炼方法
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4.选择点迹清晰的纸带,避开点迹密集部分,从距打点的开始端几厘米处选择一个点记为点0。在该点后面,依次标出间隔时间相等的计数点1,2,3,4,5,…如图乙所示。
5.根据打点计时器的周期,计算各计数点到点0对应的时间t,测量各计数点与下一相邻计数点间的距离s,将t和s的相应数据填入表格中。
明确原理 提炼方法
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计数点 0 1 2 3 4 5
t/s
s/m
v/(m·s-1)
明确原理 提炼方法
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明确原理 提炼方法
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明确原理 提炼方法
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六、误差分析
1.偶然误差
(1)根据纸带测量的位移有误差。减小方法有:多次测量求平均值;一次测量完毕各计数点到起始点的距离,而不是分别直接测量相邻计数点间的距离。
明确原理 提炼方法
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(2)作vt图像描点画线有误差。因此需要注意:
①作图时,要用平滑曲线(包括直线)将这些点连起来,
要让尽可能多的点分布在线上,不在线上的点均匀分布在
线两侧,离线较远的点删去,注意不可用折线连接。如图
所示。
②利用vt图像求加速度时,应选用直线上相距较远的两个点(不一定是原来的描点)来求直线的斜率,即加速度。
2.系统误差:如长木板不同部位的粗糙程度不完全相同,打点计时器的频率比实际偏高或偏低等。
明确原理 提炼方法
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七、注意事项
1.开始释放小车时,应使小车靠近打点计时器。
2.先接通电源,等打点稳定后,再释放小车。
3.要防止小车下滑时脱离斜面,以免砸伤人或摔坏小车,应在小车到达斜面底端前及时用手按住。
4.打点计时器不能长时间连续工作,纸带通过后应立即关闭开关,再取下纸带。
明确原理 提炼方法
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5.选取一条点迹最清晰的纸带,舍掉开头一些过于密集的点迹,找一个适当的点作为计时起点。适当选取计数点(注意计数点与计时点的区别),弄清楚相邻两计数点间隔的时间T是多少。
6.长木板的倾角要适当,以免加速度过大而使纸带上的点太少,或者加速度太小而使各段位移差别不大,使误差增大。
7.在坐标纸上画vt图像时,注意坐标轴单位长度的选取,应使图像尽量分布在坐标平面较大的范围内。
明确原理 提炼方法
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典例探究 提升能力
一、实验原理与操作
在“测量做直线运动物体的瞬时速度”的实验中,利用打点计时器在纸带上打的点记录小车的运动情况。某同学做此实验时步骤如下:
A.拉住纸带,将小车移至靠近打点计时器处,放开纸带,再接通电源。
B.将打点计时器固定在倾斜长木板上,并接好电路。
C.小车停止运动后,直接取下纸带。
D.将纸带固定在小车尾部,并穿过打点计时器的限位孔。
E.换上新纸带,重复操作三次,然后从所有纸带中选取一条点迹清晰的进行数据处理。
典例探究 提升能力
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(1)上述步骤中有错误或有遗漏的步骤及其完善方法是:
①____________________________________;
②____________________________________。
(2)将以上步骤完善后按合理的顺序填写在下面横线上:___________。
步骤A中应先接通电源,再释放纸带
步骤C中取纸带前应先断开电源
BDACE
解析 实验过程中应先接通电源,再放开纸带;取纸带前应先断开电源,所以操作错误或有遗漏的步骤是A、C。实验应按“安装器材、进行实验、重复实验、处理数据”的顺序进行。
典例探究 提升能力
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二、数据处理与误差分析
在“探究沿斜面下滑的小车是否做匀变速直线运动”的实验中,所用电源频率为50 Hz,如图给出了从0点开始,每5个点取一个计数点的纸带,其中0、1、2、3、4、5、6都为计数点。测得s1=1.40 cm,s2=1.90 cm,s3=2.38 cm,s4=2.88 cm,s5=3.39 cm,s6=3.87 cm。那么:
(1)在计时器打出点1、2、3、4、5时,小车的速度分别为:v1=_______ cm/s,v2=________ cm/s,v3=________ cm/s,v4=________ cm/s,v5=________ cm/s。(结果均保留四位有效数字)
16.50
21.40
26.30
31.35
36.30
典例探究 提升能力
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(2)以0点为计时起点,在平面直角坐标系中作出vt图像(保留描点痕迹)。
答案 如图所示
(3)由vt图像可求出小车的加速度为________ m/s2。(结果保留三位有效数字)
0.495
典例探究 提升能力
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典例探究 提升能力
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(2)利用描点法作出vt图像如图所示。
典例探究 提升能力
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(1)小球在连续相等时间内的位移之差________(选填“相等”或“不相等”),小球的运动性质属于________直线运动。
相等
s1/cm s2/cm s3/cm s4/cm
8.20 9.30 10.40 11.50
匀加速
典例探究 提升能力
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乙
1.10
0.875
典例探究 提升能力
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典例探究 提升能力
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三、实验创新与拓展
利用光电门和数字计时器也可以做实验“探究滑块的速度随时间变化的规律”,实验装置如图所示。
典例探究 提升能力
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(1)实验操作
a.测量并记录遮光条的宽度d;
b.安装装置,调整滑轮高度,使连接滑块的细线与气垫导轨平行,细线下不悬挂槽码,开启气垫导轨气源,调整导轨水平使滑块静止在导轨上;
c.细线下悬挂槽码,由静止释放滑块,使滑块向左加速运动,记录遮光条通过光电门1、光电门2的时间Δt0、Δt1,以及遮光条从开始遮住光电门1到开始遮住光电门2的时间t1;
典例探究 提升能力
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d.保持光电门1的位置不变,改变________________,__________________释放滑块,使滑块向左加速运动,记录遮光条通过光电门2的时间Δt2,以及遮光条从开始遮住光电门1到开始遮住光电门2的时间t2;
e.重复步骤d多次,测量Δt3、t3,…。
(2)数据处理
a.从滑块经过光电门1开始计时,计算出滑块在t1时刻的速度大小v1=________,t2时刻的速度大小v2=________,t3时刻的速度大小v3=________,…。
b.作出滑块运动的vt图像,分析滑块的速度随时间变化的规律。
光电门2的位置
从同一位置由静止
典例探究 提升能力
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典例探究 提升能力
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课后课时作业
1.接通电源与释放纸带,让纸带(随小车)开始运动,操作正确的是 ( )
A.先释放纸带,后接通电源
B.先接通电源,后释放纸带
C.释放纸带的同时接通电源
D.先接通电源或先释放纸带都可以
解析:应先给打点计时器通电打点,然后释放纸带让纸带(随小车)开始运动,如果先放开纸带,再接通打点计时器的电源,则纸带不能被充分利用,B正确。
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课后课时作业
2.在“测量做直线运动物体的瞬时速度”的实验中,下列说法中正确的是 ( )
A.长木板一定要水平摆放
B.使用刻度尺测量长度时,不必估读
C.使用刻度尺测量长度时,要估读到最小刻度的下一位
D.作vt图像时,所描线必须经过每一个点
解析:实验中,长木板应当一端高一端低,A错误。使用刻度尺测长度时,需要估读到最小刻度的下一位,B错误,C正确。作vt图像时,由于采集的数据存在偶然误差,则不必使所描线经过每一个点,应画一条光滑曲线(包括直线),使尽可能多的点落在线上,不能落在线上的点应大致均匀分布在线的两侧,D错误。
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课后课时作业
3.某实验小组利用打点计时器探究物块速度随时间变化的规律,其中的四位同学利用同一条纸带分别作出了如图所示的四幅vt图像,其中最规范的是 ( )
解析:描绘图像时坐标单位长度的选取不能随意,要使得大部分点落在整个坐标区域中,故B、D都不规范;描完点后,先大致判断这些点是不是在同一直线上,若是,则画一直线,让点尽可能在线上,不在线上的点均匀散落在这条直线的两侧,故A规范,C不规范。所以最规范的是A。
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课后课时作业
解析:打点计时器是一种计时仪器,所用电源为交流电源,因此题图中接直流电源是错误的;实验开始时,小车应紧靠打点计时器,以保证在纸带上打足够多的点,有利于数据的处理与分析,而题图中小车离打点计时器的距离太远,所以此处是错误的,也应该进行调整。
4.用电磁打点计时器、倾斜平板、小车等器材测量做直线运动物体的瞬时速度,如图所示是某同学即将释放小车时的实验装置图。
该装置图中有2处明显错误,它们分别是:
(1)______________________________;
(2)______________________________。
打点计时器接的是直流电源
小车离打点计时器的距离太远
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课后课时作业
5.在“测量做直线运动物体的瞬时速度”的实验中,按照实验进行的先后顺序,将下述步骤的代号填在横线上:___________。
A.把穿过打点计时器的纸带固定在小车后面
B.把打点计时器固定在长木板较高的一端,并连好电路
C.换上新的纸带,再重做两次
D.把长木板倾斜固定在实验桌上
E.使小车停在靠近打点计时器处,接通电源,放开小车,让小车运动
F.断开电源,取出纸带
DBAEFC
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课后课时作业
解析:实验步骤可简化为放置木板→固定打点计时器→连接纸带→先接后放→先断后取→重复实验。把长木板倾斜固定在实验桌上,把打点计时器固定在长木板较高的一端,并连好电路,把穿过打点计时器的纸带固定在小车后面,然后使小车停在靠近打点计时器处,先接通电源,再放开小车,让小车运动,打完一条纸带,断开电源,取下纸带,换上新纸带,再重做两次。
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课后课时作业
6.(1)在做“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中,给出以下器材:电火花打点计时器,照明用交流电源,低压学生电源,纸带,墨粉纸盘,小车,长木板。其中不需要的器材是_______________,还需要增添的器材有_________。
(2)某同学得到一条用打点计时器打下的纸带,并在其上取了A、B、C、D、E、F等6个计数点(每相邻两个计数点间还有4个打点计时器打下的点,本图中没有画出,且已知打点频率为50 Hz)。他把一把毫米刻度尺放在纸带上,其零刻度和计数点A对齐(下述第①、②、③小题结果均保留两位有效数字)。
低压学生电源
刻度尺
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课后课时作业
①由以上数据计算打点计时器在打C点时,小车的瞬时速度vC=_______ m/s。
②计算小车的加速度a=_______ m/s2。
③纸带上的A点所对应的小车的瞬时速度vA=________ m/s。
④如果当时电网中交变电流的频率f=49 Hz,而做实验的同学并不知道,那么由此引起的系统误差将使加速度的测量值比实际值偏______(填“大”或“小”)。
0.16
0.40
0.080
大
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课后课时作业
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课后课时作业
7.用如图1所示的装置测量物体下落的加速度。
(1)实验中打出的一条纸带如图2所示,图中标注的点为纸带打出的连续点,每隔0.02 s打一个点,则打点5时重锤的速度大小为_______ m/s(保留三位有效数字);
1.41
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3
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课后课时作业
(2)通过计算得到重锤在不同时刻的速度,选择0点为计时起点,在vt坐标平面上描出相应的点,如图3所示,请在图中补充点5对应重锤的速度,并作出vt图线;
答案:如图所示
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课后课时作业
(3)由图像可知重锤下落的加速度为________ m/s2(保留三位有效数字);
(4)若当地物体下落的加速度准确值为9.80 m/s2,则测量值的相对误差为__________(保留三位有效数字)。
9.50
-3.06%
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课后课时作业
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课后课时作业
(2)根据(1)中数据,在图中描点,然后拟合各点,使数据点尽可能在直线上或均匀分布在直线两侧,则作出的vt图线如图所示。
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课后课时作业
8.在“探究沿斜面下滑的小车是否做匀变速直线运动”的实验中,打点计时器接在50 Hz的低压交变电源上。某同学在打出的纸带上每5点取一个计数点,共取了A、B、C、D、E、F六个计数点(每相邻两个计数点间的四个点未画出),如图1所示。从每一个计数点处将纸带剪开分成五段(分别为a、b、c、d、e段),将这五段纸带由短到长紧靠但不重叠地粘在xOy坐标系中,如图2所示。
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课后课时作业
(1)请在xOy坐标系中用最简洁的方法作出能表示vt关系的图线(在图2中作答),并指出哪个轴相当于v轴?哪个轴相当于t轴?
______________________________。
答案:如图所示
y轴相当于v轴,x轴相当于t轴
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课后课时作业
(2)从第一个计数点开始计时,为了求出0.15 s时刻的瞬时速度,需要测出哪一段纸带的长度?________。
(3)若测得a段纸带的长度为2.0 cm,e段纸带的长度为10.0 cm,则可求出加速度的大小为______ m/s2(结果保留两位有效数字)。
b段
2.0
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课后课时作业
解析:(1)以纸带宽度为单位时间0.1 s,x轴相当于t轴,y轴
相当于v轴,每段纸带上端中点的纵坐标相当于这段时间中间时
刻的瞬时速度。把纸带上端中点连起来就得到能表示vt关系的
图线,如图所示。
(2)用b段纸带的长度除以0.1 s就是运动b段纸带这段长度的平均速度,也近似等于0.15 s时刻的瞬时速度,故需测出b段纸带的长度。
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课后课时作业
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课后课时作业
R
eq \f(s1+s2,2T)
五、数据处理
1.计算小车的瞬时速度
计算计数点1,2,3,…对应的瞬时速度,v1= eq \f(s1+s2,2T),v2= eq \f(s2+s3,2T),v3= eq \f(s3+s4,2T),v4= eq \f(s4+s5,2T),v5= eq \f(s5+s6,2T)。将计算得出的各速度填入表中。
表 各计数点对应时刻及相邻计数点间的距离
打点计时器周期:________
2.判断小车的运动性质并求加速度
(1)图像法
①绘制速度随时间变化的vt图像,若图线近似为一条直线,则小车做匀变速直线运动。
②根据所画vt图像求出小车运动的加速度,a= eq \f(Δv,Δt)。
(2)推论法
①若任意相邻相同时间间隔T内的位移差都相等,则小车做匀变速直线运动。
②在匀变速直线运动中,相邻相同时间间隔T内的位移差均为Δs=aT2,a为加速度。
据此处理实验中打点计时器打出的纸带,得到加速度的平均值
a= eq \f((s2-s1)+(s3-s2)+(s4-s3)+(s5-s4)+(s6-s5),5T2)= eq \f(s6-s1,5T2)
但此式中只用到s1和s6两个数据,实验数据的利用率不高。为了提高实验数据的利用率、减小偶然误差,可把上述连续的6个数据前后对半分成A、B两组,每组3个数据,将B组第一个数据减去A组第一个数据得Δs1=s4-s1,B组第二个数据减去A组第二个数据得Δs2=s5-s2,同理有Δs3=s6-s3。
由此,可分别求得a1、a2和a3,再取其平均值得
a= eq \f(a1+a2+a3,3)= eq \f(Δs1+Δs2+Δs3,32T2)= eq \f((s4+s5+s6)-(s1+s2+s3),9T2)
这样便提高了实验数据的利用率,减小了偶然误差。以上求加速度的方法经常被称为逐差法。
解析 (1)由题意可知,两相邻的计数点间隔的时间为T=5×0.02 s=0.1 s,对应各点的速度分别为
v1= eq \f(s1+s2,2T)= eq \f(1.40 cm+1.90 cm,2×0.1 s)=16.50 cm/s
v2= eq \f(s2+s3,2T)= eq \f(1.90 cm+2.38 cm,2×0.1 s)=21.40 cm/s
v3= eq \f(s3+s4,2T)= eq \f(2.38 cm+2.88 cm,2×0.1 s)=26.30 cm/s
v4= eq \f(s4+s5,2T)= eq \f(2.88 cm+3.39 cm,2×0.1 s)=31.35 cm/s
v5= eq \f(s5+s6,2T)= eq \f(3.39 cm+3.87 cm,2×0.1 s)=36.30 cm/s。
(3)由vt图像可知,
a= eq \f(36.30 cm/s-16.50 cm/s,0.4 s)=49.5 cm/s2
=0.495 m/s2。
如图所示,一个小球沿斜面向下运动,用每间隔 eq \f(1,10) s曝光一次的频闪相机拍摄不同时刻小球位置的照片,即照片上出现的相邻两个小球的像之间的时间为 eq \f(1,10) s;测得小球在几段连续相等时间内的位移如下表。则
(2)甲、乙两位同学计算小球加速度的方法如下:
甲同学:a1= eq \f(s2-s1,T2),a2= eq \f(s3-s2,T2),a3= eq \f(s4-s3,T2),a= eq \f(a1+a2+a3,3);
乙同学:a1= eq \f(s3-s1,2T2),a2= eq \f(s4-s2,2T2),a= eq \f(a1+a2,2)。
你认为甲、乙两位同学中哪位同学的计算方法
更准确?________,加速度值为________ m/s2(结果保留三位有效数字)。
(3)图中频闪相机第二次拍摄时小球的瞬时速度为________ m/s(结果保留三位有效数字)。
解析 (1)根据表格中位移数据可知,s4-s3=s3-s2=s2-s1=1.10 cm,则小球在连续相等时间内的位移之差相等,故小球做匀加速直线运动。
(2)甲同学计算出的加速度a= eq \f(a1+a2+a3,3)= eq \f(s4-s1,3T2),乙同学计算出的加速度a= eq \f(a1+a2,2)= eq \f((s3+s4)-(s1+s2),4T2),很显然,甲同学在运算时实际上只用了s1、s4,他的计算结果偶然误差较大,故乙同学的计算方法更准确,代入数据得a=1.10 m/s2。
(3)根据匀变速直线运动的中间时刻瞬时速度公式v eq \s\do9(\f(t,2))= eq \o(v,\s\up6(-))= eq \f(s,t),得v2= eq \f(s1+s2,2T)= eq \f(8.20 cm+9.30 cm,2×0.1 s)=87.5 cm/s=0.875 m/s。
eq \f(d,Δt1)
eq \f(d,Δt2)
eq \f(d,Δt3)
解析 (1)实验要探究滑块的速度随时间变化的规律,而利用题中所给实验装置释放滑块一次,只能测量滑块运动时间t的1个数据和遮光时间Δt的2个数据,所以需要保持光电门1的位置不变,改变光电门2的位置,使滑块重复同一运动,测得滑块运动时间t和遮光时间Δt的多组数据;为了使滑块重复同一运动,每次操作应该从同一位置由静止释放滑块,使滑块向左加速运动。
(2)从滑块经过光电门1开始计时,根据题意可知,t1、t2、t3、……时刻即依次改变光电门2的位置后滑块经过光电门2的时刻,根据光电门测瞬时速度的原理可知,滑块在t1时刻的速度大小v1= eq \f(d,Δt1),t2时刻的速度大小v2= eq \f(d,Δt2),t3时刻的速度大小v3= eq \f(d,Δt3)。
解析:(1)电火花打点计时器使用220 V的交流电源,不需要低压学生电源;测量位移需要刻度尺。
(2)由题知,相邻计数点间的时间间隔T=5×0.02 s=0.1 s。
①vC= eq \f(sBD,2T)= eq \f(0.0420 m-0.0100 m,2×0.1 s)=0.16 m/s。
②a= eq \f(sCE-sAC,(2T)2)= eq \f((0.0640 m-0.0240 m)-0.0240 m,(2×0.1 s)2)=0.40 m/s2。
③vA=vC-2aT=0.080 m/s。
④如果当时电网中交流电的频率f=49 Hz,则实际的打点周期大于0.02 s,而进行计算时仍用0.02 s,所以加速度的测量值比实际值偏大。
解析:(1)由题图2可得s46=13.10 cm-7.45 cm=5.65 cm,根据匀变速直线运动的平均速度可代替中间时刻的速度,有v eq \s\do9(\f(t,2))= eq \o(v,\s\up10(-)),已知打点计时器的打点周期T=0.02 s,可知v5= eq \f(s46,2T)=1.41 m/s。
(3)根据vt图像的斜率表示加速度,可知重锤下落的加速度为a= eq \f(Δv,Δt)= eq \f(1.58 m/s-0.44 m/s,0.12 s-0)=9.50 m/s2。
(4)δ= eq \f(9.50 m/s2-9.80 m/s2,9.80 m/s2)×100%=-3.06%。
(3)0.05 s时的瞬时速度
v1= eq \f(2.0 cm,0.1 s)=20.0 cm/s=0.20 m/s
0.45 s时的瞬时速度
v2= eq \f(10.0 cm,0.1 s)=100 cm/s=1.00 m/s
加速度大小a= eq \f(v2-v1,Δt)= eq \f(1.00 m/s-0.20 m/s,0.45 s-0.05 s)=2.0 m/s2。
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