内容正文:
第3节 实验中的误差和有效数字
第4节 科学测量:做直线运动物体的瞬时速度
一、科学测量中的误差与有效数字
1.绝对误差和相对误差
从分析数据看,误差分为绝对误差和相对误差。
绝对误差:绝对误差是测量值与真实值之差,即绝对误差=测量值-真实值。它反映了测量值偏离真实值的大小。
相对误差:相对误差等于绝对误差与真实值之比,常用百分数表示。它反映了实验结果的精确程度。
对于两个实验值的评价,必须考虑相对误差,绝对误差大者,其相对误差不一定大。
2.系统误差产生的原因及特点
(1)来源:一是实验原理不够完善;二是实验仪器不够精确;三是实验方法粗略。
(2)基本特点:实验结果与真实值的偏差总是偏大或偏小。
(3)减小方法:改善实验原理;提高实验仪器的测量精确度;设计更精巧的实验方法。
3.偶然误差产生的原因及特点
(1)来源:偶然误差是由于各种偶然因素对实验者和实验仪器的影响而产生的。例如,用刻度尺多次测量长度时估读值的差异;电源电压的波动引起的测量值微小变化。
(2)基本特点:多次重复同一测量时,偶然误差有时偏大,有时偏小,且偏大和偏小的机会比较接近。
(3)减小方法:多次测量取平均值可以减小偶然误差。
4.有效数字
(1)带有一位估读数字的全部数字称为有效数字。
(2)有效数字的位数:从左侧第一个不为零的数字起到最末一位数字止,共有几个数字,就是几位有效数字。
例:0.092 3、0.092 30、2.014 0有效数字的位数依次为3位、4位和5位。
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(3)科学记数法:大的数字,如36 500,如果第3位数5已不可靠时,应记作3.65×104;如果是在第4位数不可靠时,应记作3.650×104。
二、运动时间和位移的记录
1.打点计时器
(1)结构及特点
电火花打点计时器
电磁打点计时器
结构图示
工作电压
220 V交流电
4~6 V交流电
打点方式
周期性产生电火花
振针周期性
上下振动
续表
电火花打点计时器
电磁打点计时器
打点周期
0.02 s
0.02 s
记录信息
位移、时间
(2)工作原理:纸带穿过打点计时器在物体带动下运动时,振针的上下振动便会通过复写纸在纸带上留下一系列小点,相邻两点对应的时间均为0.02 s,相邻两点之间的距离可以用尺子测量,这样打点计时器既记录了时间,又记录了对应的位移。
2.频闪照相法及其应用
(1)频闪照相法:利用照相技术,每隔一定时间曝光一次,从而形成间隔相同时间的影像的方法。
(2)频闪灯:每隔相等时间闪光一次,如每隔0.1 s闪光一次,即每秒闪光10次。
(3)频闪照片:利用频闪灯照明,照相机可以拍摄出运动物体每隔相等时间所到达的位置,通过这种方法拍摄的照片称为频闪照片。
(4)记录信息:物体运动的时间和位移。
三、科学测量:做直线运动物体的瞬时速度
1.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。
2.实验器材
电磁打点计时器(或电火花打点计时器)、低压交流电源(或220 V交流电源)、纸带、长木板(或轨道)、U形夹、小车、毫米刻度尺。
3.实验原理与设计
利用打点计时器打出的纸带上记录的数据,计算出各时刻的速度,再作出速度—时间的关系图像。
(1)若做匀变速直线运动,则某点的瞬时速度等于以它为中间时刻的一小段时间内的平均速度。
(2)若v -t图线为一条倾斜的直线,则物体做匀变速直线运动,图线的斜率表示加速度。
4.实验步骤
(1)如图所示,把一端附有滑轮的长木板平放在实验桌上,并使滑轮伸出桌面,打点计时器固定在长木板没有滑轮的一端,连接好电路。
(2)把一条细绳拴在小车上,使细绳跨过滑轮,下面挂上适当的钩码,放手后,看小车能否在木板上平稳地加速滑行,然后把纸带穿过打点计时器,并把纸带的另一端固定在小车的后面。
(3)把小车停在打点计时器处,先接通电源,后释放小车,让小车拖着纸带运动,打点计时器就在纸带上打下一串小点,随后立即关闭电源.换上新纸带,重复实验三次。
(4)将实验数据记录如下表格
计数点
0
1
2
3
4
5
6
7
时刻t/s
位移s/m
v/(m·s-1)
5.数据处理
(1)利用一段时间内的平均速度等于这段时间中间时刻的瞬时速度求得各计数点1、2、3、4、5的瞬时速度。
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(2)数据分析——图像法
在坐标纸上,以速度v为纵轴、时间t为横轴建立直角坐标系。根据上表中的v、t数据,在直角坐标系中描点,如图所示,通过观察、思考,找出这些点的分布规律,然后根据这些点的分布趋向,用一条平滑的曲线(包括直线)连接这些点,并尽量让多数点落在曲线上(或直线上),不在曲线(或直线)上的点应分布在曲线(或直线)两侧,且两侧的点数大致相同。
(3)实验结论:根据v -t图像判断,小车做匀变速直线 运动。
6.误差分析
误差
产生原因
减小方法
偶然
误差
(1)纸带上计数点间隔距离的测量
(2)v -t图线作出的并非一条直线
(1)多次测量求平均值
(2)大多数点在线上,不在线上的点尽可能分布在线两侧
系统
误差
(1)小车、纸带运动过程中有摩擦
(2)电源的不稳定性
(1)使用电火花打点计时器
(2)使用稳压电源
7.注意事项
(1)使用打点计时器打点时,应先接通电源,待打点计时器打点稳定后,再拉动纸带。手拉动纸带时速度应快一些,以防点迹太密集。
(2)使用电火花计时器时,应注意把纸带正确穿好,墨粉纸盘位于纸带上方,使用电磁打点计时器时,应让纸带穿过限位孔,压在复写纸下面。
(3)为了减小实验误差,计数点要每隔T=0.1 s选一个,即每隔四个点取一个计数点,而计算计数点的瞬时速度时,Δs、Δt应取此计数点前、后两个点之间的位移和时间,即vn=。
(4)固定打点计时器时,应注意使两限位孔和小车运动轨迹在同一直线上。滑轮不能过高,细绳应与木板平行,开始释放小车时,应使小车靠近打点计时器。
(5)实验中“接通电源”和“释放小车” 两步应先接通电源,打点稳定后再释放小车;打点结束后立即关闭电源,再将纸带取下。
(6)实验时要注意保护小车及滑轮,要避免它们被碰坏或跌坏。所以,当小车到达滑轮前及时用手按住它。
类型一 实验原理与操作
甲、乙两位同学用刻度尺分别测量不同长度的两物体,甲的测量值为85.73 cm,乙的测量值为1.28 cm,两位同学测量时的绝对误差均为0.1 mm,求:
(1)甲、乙两位同学的测量数据各有几位有效数字?
(2)甲、乙两位同学的相对误差分别为多大?哪位同学的测量值更精确?
答案:(1)4位 3位 (2)见解析
解析:(1)甲、乙两位同学的测量数据的有效数字分别为4位和3位。
(2)δ甲=×100%=0.012%
δ乙=×100%=0.78%
甲的相对误差小,故甲同学的测量值更精确。
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(1)用打点计时器可测纸带运动的时间和位移。下面是没有按操作顺序写的不完整的实验步骤,按照你对实验的理解,在各步骤空白处填上适当的内容。
A.在电磁打点计时器的两接线柱上分别接上导线,导线的另一端分别接在低压
(选填“交流”或“直流”)电源的两个接线柱上。
B.把电磁打点计时器固定在桌子上,让纸带穿过 ,并压在 下面。
C.用刻度尺测量从计时开始点到最后一个点间的距离Δs。
D.切断电源,取下纸带,如果共有n个清晰的点且打点间隔为0.02 s,则这段纸带记录的时间Δt= 。
(2)如图所示是小球沿斜面滚下的频闪照片,照片中每两个相邻小球像的时间间隔是0.1 s,这样便记录了小球运动的时间。设开始时的位置为0,依次为位置1、2、3、4、5,小球运动的位移可以用刻度尺测量。小球在位置1、2、3、4的速度分别最接近 m/s、 m/s、 m/s、 m/s。(小数点后保留两位数字)
答案:(1)交流 限位孔 复写纸 (n-1)×0.02 s (2)0.80 1.15 1.50 1.85
解析:(1) 打点计时器使用交流电;把电磁打点计时器固定在桌子上,让纸带穿过限位孔,并压在复写纸下面;若打n个点,则有(n-1)个时间间隔,故这段纸带记录的时间Δt=(n-1)×0.02 s。
(2)利用图中给出的数据,可以求得各段的平均速度。两相邻小球图像的时间间隔为0.1 s,而平均速度最接近中间时刻的瞬时速度,则有v1≈= m/s=0.80 m/s,v2≈= m/s=1.15 m/s,v3≈= m/s=1.50 m/s,v4≈= m/s=1.85 m/s。
在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中,
(1)实验室提供了以下器材:电火花计时器、一端附有滑轮的长铝板、小车、纸带、细绳、槽码、刻度尺、交流电源、停表、弹簧测力计。其中在本实验中不需要的器材是 。
(2)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铝板没有滑轮的一端,并连好电路
C.换上新的纸带,再重做两次实验
D.把长铝板平放在实验桌上,并使滑轮伸出桌面
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.把一条细绳拴在小车上,细绳跨过定滑轮,下面吊着合适的槽码
G.断开电源,取出纸带
答案:(1)弹簧测力计、停表 (2)DBFAEGC
解析:(1)本实验需要测量的物理量是位移和时间,用打点计时器打出的纸带上的点就可以算出时间,用刻度尺可以测出两点间的距离,因此,不需要弹簧测力计和停表。
(2)根据实验的步骤,正确的顺序应为DBFAEGC。
针对练.某同学用如图1所示的装置探究小车速度随时间变化的规律。
(1)实验室已经有了以下器材:电火花打点计时器、秒表、电池组、纸带、复写纸、小车、槽码、细绳、一端附有定滑轮的长木板。其中不需要的器材是 、 ,还需要增添的器材有 、 。
(2)用一条纸带穿过打点计时器,该同学发现有如图2中的两种穿法,感到有点犹豫。你认为 (选填“甲”或“乙”)的穿法效果更好。
(3)实验中某同学写出了如下实验步骤:
A.在桌面上放好长木板,在无滑轮的一端固定电火花计时器,用导线将电火花计时器接到6 V交流电源上。
B.将纸带固定在小车上,并使纸带穿过电火花计时器的限位孔。
C.用细绳的一端拴住小车,细绳的另一端跨过木板上的定滑轮并挂上钩码,将小车放在靠近电火花计时器一端的木板上。
D.放开小车,让小车运动后再合上开关,使电火花计时器打点。
E.纸带全部通过后断开关,取下纸带,测量和分析纸带。
乙同学检查了甲同学拟定的实验步骤,发现有两处错误。请你代乙同学纠正甲同学的错误:
错误1:
错误2:
答案:(1)秒表 电池组 220 V交流电源 刻度尺 (2)乙 (3) 见解析
解析:(1)电火花打点计时器是计时的器材,使用220 V的交流电源,所以不需要的器材是秒表和电池组。为了得到小车的运动规律,还需要用刻度尺来测量计数点之间的距离,所以还需要220 V交流电源、刻度尺。
(2)由图可知,该打点计时器为电火花打点计时器,纸带应放在复写纸的下方,故乙的效果更好。
(3)错误1:A中应将电火花打点计时器接到220 V的交流电源上。错误2:D中应先合上开关再放开小车。
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类型二 数据处理与分析
某小组利用如图甲所示的装置探究小车速度随时间变化的规律,请回答以下问题:
(1)除了图甲中已有的器材外,要完成实验还需要的器材有 。
A.220 V交流电源 B.4~6 V交流电源
C.毫米刻度尺 D.天平
(2)处理数据时,选出一条如图乙所示的纸带,纸带上的数字为相邻两个计数点间的距离,相邻两计数点间还有4个点没有画出,打点计时器的电源频率为50 Hz。根据纸带上的数据,计算打下A、B、C、D、E点的瞬时速度并填在表中。
位置
A
B
C
D
E
v/(m·s-1)
0.605
0.810
1.175
1.390
(3)在图丙所示的坐标纸中描出C点的位置并画出小车的v -t图像,根据图像求得小车的加速度大小为 m/s2(计算结果保留三位有效数字)。
(4)某同学只测量OC和CF的长度分别为s1、s2,如图丁所示,若纸带上相邻两计数点的时间间隔为t,则小车的加速度表达式为 。
答案:(1)BC (2)0.995 (3)见解析图 1.98 (4)a=
解析:(1)题图甲中电磁打点计时器需要连接4~6 V交流电源;需要用毫米刻度尺测量纸带上计数点间的距离;本实验不需要用天平测质量。故选BC。
(2)相邻两计数点间还有4个点没有画出,则相邻计数点间的时间间隔为T=5×0.02 s=0.1 s
打下C点的瞬时速度为
vC== m/s=0.995 m/s。
(3)在坐标纸中描出C点的位置并作出v -t图像如图所示。
根据v -t图像可得小车的加速度大小为a== m/s2=1.98 m/s2。
(4)根据匀变速直线运动的推论可得Δs=s2-s1=a(3t)2
可得小车的加速度表达式为a=。
针对练.在用电火花计时器“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中,图甲是一次记录小车运动情况的纸带,图中A、B、C、D、E为相邻的计数点,相邻计数点间还有四个点未画出。(电源频率为50 Hz)
(1)根据运动学有关公式可求得vB=138 m/s,vC= m/s,vD=390 m/s。(保留3位有效数字)
(2)利用求得的数值在图乙所示坐标纸上作出小车的v -t图像(从打A点时开始计时)。利用纸带上的数据求出小车运动的加速度a= m/s2。(保留3位有效数字)
(3)将图线延长与纵轴相交,交点的纵坐标是012 m/s,此交点的物理意义是: 。
答案:(1)264 (2)126 (3)从A点开始计时时,小车的速度为012 m/s
解析:(1)打点计时器的频率是50 Hz,则周期是0.02 s,由于相邻计数点之间有4个点未画出,所以相邻计数点之间的时间是0.1 s,则打C点时对应的速度为vC== cm/s=264 cm/s=2.64 m/s。
(2)用描点法作出小车的v -t图像如图所示。
由图知小车运动的加速度a===12.6 m/s2。
(3)此交点表示A点开始计时时,小车的速度为0.12 m/s。
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类型三 拓展创新实验
如图所示,某实验小组用光电数字计时器测量小车在斜面上下滑时的加速度,实验主要操作如下:
①用刻度尺测量挡光片的宽度d;
②测量小车释放处挡光片到光电门的距离s;
③由静止释放小车,记录光电数字计时器显示挡光片的挡光时间t;
④改变s,测出不同s所对应的挡光时间t。
(1)小车加速度大小的表达式为a= (用实验中所测物理量符号表示)。
(2)根据实验测得的多组s、t数据,可绘制图像来得到小车运动的加速度,如果图像的纵坐标为s,横坐标为,实验中得到图像的斜率为k,则小车运动的加速度大小为
(用d、k表示)。
答案:(1) (2)
解析:(1)依据中间时刻瞬时速度等于这段时间内的平均速度,则有:v=
再结合运动学公式a=,则有:a=。
(2)根据(1)有:s=·,结合纵坐标为s,横坐标为的图像,那么斜率:k=
因此小车的加速度大小为:a=。
针对练.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。
实验步骤如下:
①如图(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;
②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Δt;
③用Δs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Δt时间内的平均速度大小,求出;
④将另一挡光片换到滑块上,使滑块上的挡光片前端与①中位置相同,令滑块由静止开始下滑,重复步骤②③;
⑤多次重复步骤④;
⑥利用实验中得到的数据作出-Δt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和Δt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)vA+Δt (2)52.1 16.3
解析:(1)由于滑块做匀变速运动,在挡光片通过光电门的过程中,由运动学公式得Δt=vAΔt+a(Δt)2,则=vA+aΔt。
(2)由=vA+aΔt结合题图(c)可知,图线与纵轴的交点的纵坐标即为vA,将图线延长与纵轴相交,得vA=52.1 cm/s,图线的斜率等于a,即a= cm/s2,求得a≈16.3 cm/s2。
课时测评8 实验中的误差和有效数字
科学测量:做直线运动物体的瞬时速度
(时间:30分钟 满分:50分)
(本栏目内容,在学生用书中以独立形式分册装订!)
(选择题1-2题,每题5分,共10分)
1.电磁打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器,根据打点计时器打出的纸带,我们可以从纸带上直接得到的物理量是( )
A.时间间隔 B.位移
C.平均速度 D.瞬时速度
答案:A
解析:打点计时器是每隔0.02 s打下一个点,所以数点就知道时间间隔,故A正确;位移利用刻度尺直接测量两点之间的距离得出,故B错误;平均速度的求解需要运用物理公式,故C错误;瞬时速度需要用极限法用平均速度近似替代,故D错误。
2.关于测量误差、有效数字问题,下列说法中正确的是( )
A.若仔细地多测量几次,就能避免误差
B.系统误差的特点是测量值比真实值总是偏大或总是偏小
C.3.20 cm、0.032 cm、3.20×102 cm的有效数字位数相同
D.要减小系统误差就得多次测量取平均值
答案:B
解析:在实验过程中,由于受所用仪器和测量方法的限制,测量值和真实值会有差异,这就是误差。误差和错误不同,作为误差来说不可避免,只能尽量减小。在实际中经常用多次测量求平均值的办法来减小偶然误差,但是由于系统的原因造成的误差只能通过使用精密仪器或者改进实验方法来减小,故B正确,A、D错误;3.20 cm和3.20×102 cm有三位有效数字,0.032 cm有两位有效数字,故C错误。
3.(10分)在“探究匀变速直线运动”的实验中,打点计时器使用的交流电源频率为50 Hz,记录小车做变速运动的纸带,如图所示,在纸带上选择A~F六个计数点,相邻两计数点之间还有四个点没有画出。纸带旁并排放着带有最小刻度为毫米的刻度尺,0刻度线跟计数点A对齐。
(1)由图可以读出B、D、F三个计数点到A点的距离sB、sD、sF,请将测量值填入下表中:
距离
sB
sD
sF
测量值/cm
(2)计算小车在打计数点C时的瞬时速度为 m/s,打计数点E时的瞬时速度为
m/s。
(3)小车在打计数点C和E这段时间间隔内的平均加速度为 m/s2。
答案:(1)1.20 5.40 12.00 (2)0.21 0.33
(3)0.60
解析:(1)计数点B、D、F到A点的距离可以通过刻度尺直接读出,依次为sB=1.20 cm、sD=5.40 cm、sF=12.00 cm。
(2)小车在打计数点C时的瞬时速度等于其在计数点B、D之间的平均速度,
即vC== cm/s=0.21 m/s,
同理,vE== cm/s=0.33 m/s。
(3)加速度a== m/s2=0.60 m/s2。
4.(10分)某同学在做“测量小车的瞬时速度”的实验时,得到一条点迹清晰的纸带如图所示,在纸带上依次选出7个计数点,分别标以O、A、B、C、D、E和F,每相邻的两个计数点间还有四个点未画出,每相邻两计数点间时间间隔为T,打点计时器所用电源的频率是50 Hz。
(1)如果测得C、D两点间距s4=2.70 cm,D、E两点间距s5=2.90 cm,则根据此数据计算在打D点时的速度公式为vD= (用s4、s5、T表示),小车的速度值vD=
m/s(保留3位有效数字)。
(2)该同学分别算出其他点的速度:vA=0.220 m/s,vB=0.241 m/s,vC=0.258 m/s,vE=0.300 m/s,请设计表格将实验数据填入表格中,并在如图所示的坐标系中作出小车运动的v -t图像。
(3)由所作v -t图像可判断出小车的运动情况为 。
答案:(1) 0.280 (2)见解析图 (3)小车速度随时间均匀增大
解析:(1)D点为C、E的中间时刻,所以可以认为D点的瞬时速度等于CE间的平均速度,
即vD=,又T=5×0.02 s=0.10 s,
解得vD=0.280 m/s。
(2)实验表格如下:
时间t/s
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
速度v/(m·s-1)
0.220
0.241
0.258
0.280
0.300
根据表中数据描点得v -t图像如图所示。
(3)从图像上可以看出小车速度随时间均匀增大。
5.(10分)小明同学按如图甲所示装置做“探究小车速度随时间变化的规律”的实验。
(1)释放小车时,实验装置如图甲所示,指出该装置中操作错误的是 。
A.电磁打点计时器接在直流电源上了
B.小车质量没有远大于槽码质量
C.小车离打点计时器过远
(2)如图乙为改正装置后打下的一条纸带的中间部分,A、B、C、D为其中连续打出的四个点(已知打点计时器打点时间间隔T=0.02 s)。由于操作不慎,C点模糊了,小明仍用此纸带来研究。从图上可以读得A点在刻度尺上位置的读数为 cm。在打下C点时小车的速度最接近于 m/s(结果保留3位有效数字)。
答案:(1)AC (2)3.00 1.40
解析: (1)电磁打点计时器应接在交变电源上;不需小车质量远大于槽码质量;小车应靠近打点计时器释放,故选AC。
(2)A点在刻度尺上位置的读数为3.00 cm。打点计时器打点时间间隔T=0.02 s,在打下C点时小车的速度vC== m/s=1.40 m/s。
6.(10分)某学生在用打点计时器测速度和探究小车速度随时间变化的规律的实验中,都使用了电火花计时器,并打出纸带进行有关数据处理,已知所用交流电源的频率是50 Hz。
(1)在一次实验中某小组得到如图所示的纸带,并按照打点时间先后,依次选定了O、A、B、C、D、E、F七个计数点(每两个计数点之间还有四个点没有画出),并经过测量得到相邻计数点间的距离。根据实验数据,判断小车做的是 (选填“加速”“匀速”或“减速”)运动。相邻两计数点间的时间间隔是 s。
(2)在该实验中,为了计算加速度,最合理的方法是 。
A.根据任意两计数点的速度用公式a=算出加速度
B.根据实验数据画出v -t图像,量出其倾角α,由公式a=tan α求出加速度
C.根据实验数据画出v -t图像,由图线上相距较远的两点所对应的速度和时间,用公式a=算出加速度
D.依次算出通过连续两计数点间的加速度,算出平均值作为小车的加速度
答案:(1)加速 0.1 (2)C
解析:(1)由题图可知,相同的时间间隔内相邻位移越来越大,故小车做加速运动。打点计时器使用的电源频率为50 Hz时,每隔0.02 s打一次点,每两个计数点间有四个点没有画出,故时间间隔为T=5×0.02 s=0.1 s。
(2)在处理实验数据时,如果只使用其中两个数据,由于偶然误差的存在可能会造成最后误差较大,所以我们可以根据实验数据画出v -t图像,考虑到误差,不可能所有点都在一条直线上,连线时,应该尽量使那些不能画在线上的点均匀地分布在线的两侧,应舍弃误差较大的点,由图像上相距较远的两点所对应的速度和时间,用公式a=算出加速度,误差较小,A、D错误,C正确;根据实验数据画出v -t图像,当取不同的标度时,图线的倾角就会不同,所以量出其倾角α,用公式a=tan α算出的数值不一定是加速度,B错误。
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