1、 高一物理实验实验一： 电火花计时器(或电磁打点计时器 )研究匀变速直线运动1、要点预览电磁打点计时器和电火花计时器的构造及工作原理；打点计时器的使用方法及测瞬时速度的方法；用 v-t 图像进行数据分析。2、内容详解 电磁打点计时器和电火花计时器用途：计时仪器，同时记录不同时刻的位置，进而可测量各点间的距离（物体位移）电源：交流电电压：电磁打点计时器工作电压 6V 以下；电火花计时器工作电压 220V打点周期：0.02s（频率 50Hz） 使用打点计时器的步骤将纸带穿过限位孔，固定打点计时器；先开启电压，然后拉动纸带运动，纸带上打出一系列的点，随即关闭电源；取下纸带，选择比较清晰的一段，计算某
2、两点间的时间间隔，测量两点间距离。瞬时速度的测量思想方法：用某段时间内的平均速度粗略代表这段时间内的某点的瞬时速度。所取的时间间隔越接近该点，这种描述方法越准确。示例：如图，测量出包括 E 点在内的 D、 F 两点间的位移 x 和时间 t，算出纸带在这两点间的平均速度 = ，用这个平均速度代表纸带经过 E 点时的瞬时速度。vtx可以大致表示 E 点的瞬时速度， D、 F 两点离 E 点越近，算出的平均速度越接近 E 点的瞬时tx速度。然而 D、 F 两点距离过小则测量误差增大，应该根据实际情况选取这两个点。用 v-t 图像进行数据分析建立直角坐标系：横轴时间 t（s） ；纵轴速度 v (m/s
3、)描点：利用所测数据计算瞬时速度，选择合适的单位长度，在坐标纸上描点。连线：用平滑曲线将描的点连接起来。v-t 图像：描述速度随时间的变化关系。3、例题剖析如图所示，表示用毫米刻度尺测量打点计时器打出的一条纸带的数据情况，由此可知纸带做 运动。纸带在 A、B 间的平均速度为 m/s，纸带在 A、C 间的平均速度为 m/s。解析：要判断物体的运动状态，则要看各段时间内平均速度的关系。由于各段时间相等，则从相等时间内的位移方面分析，也能看出物体是怎样运动的。从图中可以看出纸带上两点之间时间相等，距离增加，故做加速运动。V AB=0.2m/s，V AC0.33m/s。答案：加速 0.2 0.33纸带
4、问题的分析1. 判断物体的运动性质（1） 根据匀速直线运动特点 x=vt，若纸带上各相邻的点的间隔相等，则可判断物体做匀速直线运动。（2） 由匀变速直线运动的推论 ，若所打的纸带上在任意两个相邻且相等的时间内2aTx物体的位移之差相等，则说明物体做匀变速直线运动。2. 求加速度（1） 逐差法2134569Txxa（2）vt 图象法利用匀变速直线运动的一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度的推论，求出各点的瞬时速度，建立直角坐标系（vt 图象） ，然后进行描点连线，求出图线的斜率 k=a.实验二：探究加速度与力、质量的关系方法探究研究“牛顿第二定律”实验所研究的是物体运动的加速度与物体所受外
5、力 F 的关系，物体运动的加速度与物体的质量 m 的关系，即 a、F 、m 间的关系。由于加速度 a随 F、物体的质量 m的变化而同时发生变化，所以它们间的关系难以确定。实验中为了研究三者的关系可采用控制变量法，所谓控制变量法，就是将具有某种相互联系的三个或多个物理量中的一个或几个加以控制，使之保持不变，研究另外两个物理量之间的关系；此后再控制另一个物理量，使之保持不变，研究剩余的两个物理量之间的关系。本实验在研究 a、F、m 之间的关系时，先控制物体的质量 m 不变，改变力 F 的大小，研究与 F 的关系；再控制物体所受的外力 F 不变，改变物体的质量 m，研究 a与 m 的定量关系；最后将
6、二者加以归纳综合，得出 a、F 、m 三者之间的定量关系。实验装置（参考课本案例）如图所示，取两个质量相同的小车，放在光滑的水平板上，小车的前端各系上细绳，绳的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘，盘里分别放上砝码，使两小车在绳的拉力作用下做匀加速运动。实验时，要求砝码跟小车相比质量较小，则小车所受的水平拉力 F 的大小可以认为等于砝码（包括砝码盘）所受重力的大小，车的后端也分别系上细绳，用一只夹子夹住这两根绳，以同时控制两辆小车，使它们同时运动和停止运动。实验说明（参考课本案例）1. 本实验中是将小车放在光滑的水平板上，忽略了小车所受木板对它的滑动摩擦力 F。事实上，水平板是很难做到光滑的，且小车所
7、受木板对它的滑动摩擦力 F，随小车质量的变化而变化，这样给验证实验过程带来了不必要的麻烦。一方面需要测定滑动摩擦因数，另一方面还要测量、计算每次改变小车的质量后的摩擦力，显然大大增加了实验的难度。因此，实际操作中常采用平衡摩擦力的方法将实验简化。即将表面平整的木板的一端垫起，使放在它上表面的小车所受重力沿斜面的分量 sinmgG与摩擦阻力 cosFmg相等，即 tan，此时无论物体的质量怎样变化只要 ta成立，就一定存在 G，于是实现了化“变”为“不变” ，即平衡了摩擦力之后的实验就等效于物体不受摩擦阻力作用，这样小车受到的合外力就是细线对小车的拉力。注意 平衡摩擦力时要使小车拖着纸带，使纸带
8、通过打点计时器，并且使打点计时器处于工作状态，通过打出的纸带判断小车是否做匀速直线运动，从而判断是否已经平衡了摩擦力。2. 怎样提供和测量物体所受恒力可以用小盘和砝码牵引小车，使小车做匀加速运动的力近似地与小盘和砝码的重力相等。注意：（1）砝码（及盘）跟小车相比质量很小，细绳对小车的拉力可近似地等于砝码所受的重力。（2）实验是通过改变盘中砝码的数目来改变绳对小车拉力的大小的。实验三：探究小车的运动规律1、要点预览实验过程：实验原理、实验步骤、数据处理规律探究：求瞬时速度，画出 v-t 图像；逐差法计算加速度。2、内容详解实验过程一端附有定滑轮的长木板放在实验桌上，打点计时器固定在长木板远离定滑
9、轮的一端。纸带穿过打点计时器的限位孔，固定于小车的后面，细绳的一端栓在小车的前端，跨过定滑轮，另一端挂上适当的钩码。将小车停在靠近打点计时器的位置，先开启电源，后释放小车。打完一次纸带后立即关闭电源。换上新纸带，重复操作三次。在三条纸带中选择一条点迹清晰的，舍掉开头一些过于密集的点，找一个适当的点作为计时起点。每 5 个点选取一个计数点，进行测量，并计算出各个计数点的瞬时速度，填入表格。以速度为纵轴，时间为横轴建立直角坐标系，画出 v-t 图像。可观察到各点大致在一条直线上，则画成直线。让尽可能多的点在直线上，不能连接的点应对称地分布在直线的两侧。例题剖析例题 1：如图,是小车在斜面上运动时，
10、通过计时器所得的一条纸带。各段长度为OA=6.05cm，OB=13.18cm，OC=21.40cm，OD=30.70cm，OE=41.10cm，OF=52.58cm，根据这些数据求出 B、C、D、E 各点的速度并画出速度时间图象；通过图像求出加速度。 （取 A 点为计时开始，打点计时器每隔 0.02s 打一次点，BC、DE 间均有四个点未打出）。【思路解析】相邻两个计数点之间的时间 t0.0250.1s；vc=smtOACvB /7.02.56412 smtOBD/8.02.13702vD= tE/9./.vE=smstODF/04.1/2.073582速度时间图象如图 2.14 所示可以任意
11、选两个间隔较远的点，找出它们的坐标值（注意这两个点不能是我们表格中已测得的点） ，然后再把的它们的坐标值代入到公式 a= = 中,求tv12t出加速度,就能更详细地知道物体的运动情况。实验三：验证牛顿运动定律1.实验目的(1)学会用控制变量法研究物理规律.(2)验证牛顿第二定律.(3)掌握利用图象处理数据的方法.2.实验原理探究加速度 a 与力 F 及质量 m 的关系时，应用的基本方法是控制变量法，即先控制一个参量 小车的质量 m 不变，讨论加速度 a 与 F 的关系，再控制小盘和砝码的质量不变，即力 F 不变，改变小车质量 m，讨论加速度 a 与 m 的关系.3.实验器材打点计时器、纸带、复
12、写纸、小车、一端附有定滑轮的长木板、小盘、夹子、细绳、低压交流电源、导线、天平、刻度尺、砝码.4.实验步骤及数据处理(1)用天平测出小车和砝码的总质量 M，托盘和砝码的总质量 m1，把数据记录下来.t/sv/(m/s)(2)按照图把实验器材安装好，只是不把悬挂托盘用的细绳系在车上，即不给小车加牵引力.(3)平衡摩擦力，在 长木板的不带定滑轮的一端下面垫小木垫，反复移动木垫的位置，直至小车在斜面上运动时可以保持匀速直线运动状态.这时，小车拖着纸带运动时受到的摩擦阻力恰好与小车所受的重力在沿斜面方向上的分力平衡.(4)把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂托盘.先接通电源，再放开小车，打点计时器在纸带上打
13、下一系列的点.打完点后切断电源，取下纸带，在纸带上标上该纸带的号码.(5)保持小车和砝码的质量不变，在托盘里加入适量的砝码，把托盘和砝码的总质量 m2 记录下来.即改变小车所受牵引力，重复几次步骤(4).(6)在每条纸带上都选取一段比较理想的部分，按照“研究匀变速直线运动”实验中求加速度的方法，计算出各条纸带对应的加速度的值.(7)用纵坐标表示加速度 a，用横坐标表示作用力 F，作用力的大小等于托盘和砝码的总重力，根据实验数据，画出小车的加速度与所受牵引力的关系的 a-F 图象.如果这些点在一条过原点的直线上，便证明了加速度与作用力成正比.(8)保持托盘和砝码总质量不变，在小车上加砝码 m，重
14、复上面的实验，用纵坐标表示加速度 a，用横坐标表示小车和砝码的总质量的倒数.根据实验数据，画出小车加速度 a、小车和砝码的总质量的倒数 之间关系的图象，即 a- 图象.如果这些点在一条过原点的直线上，便证明mM1M1了加速度与质量成反比.重点难点突破一、实验误差来源与分析1.因实验原理不完善引起的误差.2.摩擦力平衡不准确、质量测量不准确、记数点间距测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差.二、实验注意事项1.一定要做好平衡摩擦力的工作，也就是调出一个合适的斜面，使小车的重力沿着斜面方向的分力正好平衡小车受的摩擦力.在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细线系在小车上，即不要给小车加任何牵
15、引力，并要让小车拖着打点的纸带运动.2.实验步骤 2、 3 不需要重复，即整个实验平衡了摩擦力后，不管以后是改变小盘和砝码的总质量还是改变小车和砝码的总质量，都不需要重新平衡摩擦力.3.每条纸带必须满足在小车与车上所加砝码的总质量远大于小盘和砝码的总质量的条件下打出.只有如此，小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力.4.改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，再放开小车，且应在小车到达滑轮前按住小车.5.作图时，要使尽可能多的点在所作直线上，不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线两侧.6.作图时两轴标度比例要选择适当.各物理量须采用国际单位. 这样作图线时
16、，坐标点间距不至于过密，误差会小些.7.为提高测量精度.(1)应舍掉纸带上开头比较密集的点，在后边便于测量的地方找一个起点.(2)可以把每打五次点的时间作为时间单位，即从开始点起，每五个点标出一个计数点，而相邻计数点间的时间间隔为 T0.1 s.三、数据处理及结果分析利用图象处理数据是一种常用的重要方法.将实验中得到的数据通过描点作出图象，可以非常直观地看出两个物理量之间的关系，也可以有效地减小实验误差，确定并排除实验中测得的一些错误数据.在探究加速度与力的关系的实验中，以加速度 a 为纵坐标，力 F 为横坐标，根据各组数据在坐标系中描点.如果这些点在一条过原点的直线上，说明 a 与 F 成正
17、比.在探究加速度与质量的关系的实验中， “加速度 a 与质量 m 成反比”实际上就是“加速度 a 与质量的倒数 成正比” ，以加速度 a 为纵坐标，以质量的倒数 为横坐标建立直角坐标系，根据m1 1a- 图象是不是过原点的直线，就能判断 a 与 m 是否成反比.典例精析1.实验装置及误差分析【例 1】如图所示，是某次利用气垫导轨探究加速度与力、质量关系的实验装置安装完毕后的示意图，图中 A 为砂桶和砂， B 为定滑轮， C 为滑块及上面添加的砝码， D 为纸带， E 为电火花计时器， F 为蓄电池、电压为 6 V，G 是开关，请指出图中的三处错误：(1) ；(2) ；(3) .【解析】(1)
18、B 接滑块的细线应水平(或与导轨平行)(2)C 滑块离计时器太远(3)E 电火花计时器用的是 220 V 的交流电，不能接直流电【思维提升】只有充分理解实验原理，知道实验误差产生的原因，注意操作技巧，这样才能使实验能够顺利进行，同时使实验结果更加精确，高考试题也注重对操作步骤及技巧的考查.【拓展 1】在“ 验证牛顿运动定律 ”的实验中，在研究加速度 a 与小车的质量 M 的关系时，由于没有注意始终满足 Mm 的条件，结果得到的图象应是下图中的( D )【解析】在本实验中绳中的张力 F ，则小车的加速度 a ，在研究加速度与mMgmMgF小车质量 M 的关系时，保持 m 不变，若横轴为 1/(M
19、 m)，则 a-1/(M m)图象应是过原点的直线，当满足 Mm 时， m 可以忽略不计， a ， a-1/M 图象还可以满足图象是过原点的直线；g当小车的质量较小、不满足 Mm 时，图象便发生向下弯曲. 故选 D.2.数据处理及结果分析【例 2】某同学设计了一个探究加速度 a 与物体所受合力 F 及质量 m 关系的实验，如图所示，图甲为实验装置简图.(交流电的频率为 50 Hz)(1)图乙为某次实验得到的纸带，根据纸带可求出小车的加速度大小为 m/s 2.(保留两位有效数字)(2)保持砂和小砂桶质量不变，改变小车质量 m，分别得到小车加速度 a 与质量 m 及对应的 .数1据如下表：实验次数
20、 1 2 3 4 5 6 7 8小车加速度a/ms 2 1.90 1.72 1.49 1.25 1.00 0.75 0.50 0.30小车质量m/kg 0.25 0.29 0.33 0.40 0.50 0.71 1.00 1.67/kg-214.00 3.45 3.03 2.50 2.00 1.41 1.00 0.60请在给出的方格坐标纸中画出 a-图线，并根据图线求出小车m1加速度 a 与质量倒数 之间的关系m1 式是 .(3)保持小车质量不变，改变砂和小砂 桶质量，该同学根据实验数据作出了加速度 a 随合力 F 的变化图线，如图所示. 该图线不通过原点，其主要原因是 .【解析】(1)3.2
21、 (2)图线如图所示； a m21(3)未平衡摩擦力或平衡摩擦力不充分【思维提升】本题主要考查实验数据的处理方法及结果分析，描点连线时应使直线过尽可能多的点，而不在直线上的点应大致对称分布在直线的两侧，如果有个别离直线较远的点应视为错误数据，不予以考虑.3.实验操作及注意事项【例 3】现要验证 “当质量一定时，物体运动的加速度与它所受的合外力成正比”这一物理规律.给定的器材如下：一倾角可以调节的长斜面(如图所示)、小车、计时器、米尺.(1)填入适当的公式或文字，完善以下实验步骤(不考虑摩擦力的影响) ：让小车自斜面上方一固定点 A1 从静止开始下滑到斜面底端 A2，记下所用的时间 t.用米尺测
22、量 A1 与 A2 之间的距离 x，则小车的加速度 a .用米尺测量 A1 相对于 A2 的高度 h，设小车所受重力为 mg，则小车所受的合外力F .改变 ，重复上述测量.以 h 为横坐标， 1/t2 为纵坐标，根据实验数据作图 .如能得到一条过原点的直线，则可验证 “当质量一定时，物体运动的加速度与它所受的合外力成正比”这一规律.(2)在探究如何消除上述实验中摩擦阻力影响的过程中，某同学设计的方案是：调节斜面倾角，使小车在斜面上匀速下滑.测量此时 A1 点相对于斜面底端 A2 的高度 h0.进行(1)中的各项测量.计算与作图时用( h h0)代替 h.对此方案有以下几种评论意见：A.方案正确
23、可行B.方案的理论依据正确，但利用所给的器材无法确定小车在斜面上是否做匀速运动C.方案的理论依据有问题，小车所受摩擦力与斜面倾角有关其中合理的意见是 .【解析】(1)由 x at2 得 a12tx小车在斜面上受重力和支持力作用，其合力为 F mgsin mg xh改变小车所受外力来研究加速度与力的关系，改变受力又是通过改变斜面倾角即斜面高度 h来实现的.(2)此方案不可行，如果在测量中，使小车在斜面上匀速下滑，则满足 mgsin mgcos ，即tan ，此后无论如何改变小车的质量，小车都不可能加速下滑，即无法验证加速度与合外力的关系，故选 C.【思维提升】在研究加速度与力的关系时，其中力是指
24、物体所受的合外力，因此找到物体所受的合外力是实验研究的关键，然后实验还需测出物体的加速度，而测加速度的方法有多种，如本实验中的利用打点计时器和纸带测量的方法.【拓展 2】如图所示，质量为 M 的滑块 A 放在气垫导轨B 上， C 为位移传感器，它能将滑块 A 到传感器 C 的距离数据即时传送到计算机上，经计算机处理后在屏幕上显示滑块 A 的位移时间( x-t)图象和速率时间( v-t)图象.整个装置置于高度可调节的斜面上，斜面的长度为 l、高度为 h.(取重力加速度 g9.8 m/s2，结果保留一位有效数字)(1)现给滑块 A 一沿气垫导轨向上的初速度， A 的 v-t 图象如图所示.从图线可
25、得滑块 A 下滑时的加速度 a 6 m/s 2，摩擦力对滑块 A 运动的影响 不明显，可忽略 .(填“明显，不可忽略”或“不明显，可忽略”)(2)此装置还可用来验 证牛顿第二定律.实验时通过改变 斜面倾角即改变斜面高度 h ，可验证质量一定时，加速度与力成正比的关系；实验时通过改变 滑块的质量 ，可验证力一定时，加速度与质量成反比的关系.(3)将气垫导轨换成滑板，滑块 A 换成滑块 A，给滑块 A一沿滑板向上的初速度， A的 x-t图象如图所示.图象不对称是由于 滑动摩擦力 造成的，通过图象可求得滑板的倾角 arcsin 0.6 (用反三角函数表示)，滑块与滑板间的动摩擦因数 0.3 .【解析】(1)由图可知滑块下滑的加速度 a6.0 m/s2，由于滑块放在气垫导轨上，因此摩擦力对滑块 A 运动的影响不明显，可忽略.(2)由牛顿第二定律得 mgsin ma，即 mgh/L ma 可通过改变斜面的高度 h，验证加速度与力成正比的关系；可通过改变滑块质量，验证加速度与质量成反比的关系.(3)图象不对称是由于滑动摩擦力.由图可知物体上滑和下滑过程分别有x (gsin gcos )2121tx (gsin -gcos )2t代入数据解之得 arcsin 0.6， 0.3
