
一、測量紙帶的平均速度和瞬時(shí)速度
1.實(shí)驗(yàn)器材
電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(或電火花計(jì)時(shí)器)、8 V交變電源(電火花計(jì)時(shí)器使用220 V交變電源)、復(fù)寫紙(或墨粉紙盤)、導(dǎo)線若干、刻度尺、紙帶、坐標(biāo)紙。
2.實(shí)驗(yàn)步驟
(1)使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器獲得3~5條紙帶。
(2)選擇一條點(diǎn)跡清晰便于分析的紙帶,測出紙帶從打第1個(gè)點(diǎn)到打第n個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間Δt。
(3)用刻度尺測量第1個(gè)點(diǎn)到第n個(gè)點(diǎn)間的位移Δx。
3.?dāng)?shù)據(jù)處理
(1)測量平均速度
若電源頻率為50 Hz,每隔0.1 s(或更短)計(jì)算一次平均速度。
①在圖中選取紙帶上一點(diǎn)為起始點(diǎn)0,后面每5個(gè)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn),分別用數(shù)字1,2,3,…標(biāo)出這些計(jì)數(shù)點(diǎn);
②測量各計(jì)數(shù)點(diǎn)到起始點(diǎn)0的距離x,記錄在表1中;
③計(jì)算兩相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的位移Δx,同時(shí)記錄對應(yīng)的時(shí)間Δt;
④根據(jù)Δx和Δt計(jì)算紙帶在相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的平均速度v。
表1 手拉紙帶的位移和平均速度
(2)測量瞬時(shí)速度
每隔0.06 s計(jì)算一次速度。
①選取一條點(diǎn)跡清晰便于分析的紙帶;
②從紙帶起始點(diǎn)0算起,后面每3個(gè)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn);
③測量各計(jì)數(shù)點(diǎn)到起始點(diǎn)0的距離x,記錄在表2中;
④計(jì)算兩相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的位移Δx,同時(shí)記錄對應(yīng)的時(shí)間Δt;
⑤根據(jù)Δx和Δt算出的速度值就可以代表在Δx這一區(qū)間內(nèi)任意一點(diǎn)的瞬時(shí)速度。將算出的各計(jì)數(shù)點(diǎn)的速度值記錄在表2中。
運(yùn)動(dòng)物體在1,2,3,4,…各點(diǎn)的瞬時(shí)速度分別為v1=eq \f(x1+x2,2T),v2=eq \f(x2+x3,2T),v3=eq \f(x3+x4,2T),v4=eq \f(x4+x5,2T),…
表2 手拉紙帶的瞬時(shí)速度
4.注意事項(xiàng)
(1)如果電源頻率為50 Hz,在紙帶上數(shù)出了n個(gè)點(diǎn),那么它們的間隔數(shù)是(n-1)個(gè),它們的時(shí)間間隔為(n-1)×0.02 s。
(2)先啟動(dòng)電源再拉動(dòng)紙帶,手拉動(dòng)紙帶時(shí)速度應(yīng)快一些,以防止點(diǎn)跡太密集。
(3)計(jì)算計(jì)數(shù)點(diǎn)的瞬時(shí)速度時(shí),Δx、Δt應(yīng)取此計(jì)數(shù)點(diǎn)前、后兩個(gè)點(diǎn)之間的位移和時(shí)間,即vn=eq \f(xn+xn+1,2T)。
例1 (1)在某次實(shí)驗(yàn)中,某同學(xué)選出了一條清晰的紙帶,并取其中的A、B、C、…七個(gè)點(diǎn)進(jìn)行研究,這七個(gè)點(diǎn)和刻度尺標(biāo)度對應(yīng)的位置如圖所示。(打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用電源頻率為50 Hz)
可求出A點(diǎn)到D點(diǎn)的距離是________ cm。
(2)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得A點(diǎn)到D點(diǎn)的平均速度是________ m/s;B點(diǎn)的瞬時(shí)速度是________ m/s。(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)
答案 (1)4.10 (2)0.14 0.13
解析 (1)由毫米刻度尺讀數(shù)方法可得,A點(diǎn)到D點(diǎn)的距離為4.10 cm。
(2)根據(jù)平均速度公式有eq \x\t(v)=eq \f(AD,3T)=eq \f(4.10×10-2,3×0.1) m/s≈0.14 m/s;由題圖得AC=2.50 cm,B點(diǎn)瞬時(shí)速度vB=eq \f(AC,2T)≈0.13 m/s。
例2 如圖是實(shí)驗(yàn)中得到的一條紙帶,從0點(diǎn)開始每5個(gè)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)(打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源頻率是50 Hz),依照打點(diǎn)的先后次序編為1、2、3、4、5、6,測得x1=1.22 cm,x2=2.00 cm,x3=2.78 cm,x4=3.62 cm,x5=4.40 cm,x6=5.18 cm。
(1)相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔為T=________s。
(2)計(jì)數(shù)點(diǎn)2、4之間的平均速度大小v24=________m/s。
(3)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下計(jì)數(shù)點(diǎn)3時(shí),紙帶的速度大小v3=________m/s。
答案 (1)0.1 (2)0.32 (3)0.32
解析 (1)因?yàn)橄噜弮捎?jì)數(shù)點(diǎn)間還有4個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn),所以相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為T=5×0.02 s=0.1 s。
(2)(3)計(jì)數(shù)點(diǎn)3的瞬時(shí)速度近似等于計(jì)數(shù)點(diǎn)2、4之間的平均速度大小,則v24=v3=eq \f(x3+x4,2T)=0.32 m/s。
二、速度—時(shí)間圖像
1.一物體做直線運(yùn)動(dòng),測得其運(yùn)動(dòng)過程中一段時(shí)間內(nèi)的速度大小如表所示,嘗試在坐標(biāo)紙中作出物體運(yùn)動(dòng)的v-t圖像。
答案
2.如圖所示為一個(gè)物體沿某一條直線運(yùn)動(dòng)的v-t圖像,至少從以下三個(gè)方面分別說明它的速度是怎樣變化的?
(1)物體是從靜止開始運(yùn)動(dòng)還是具有一定的初速度?物體在第2 s末的速度大小為多少?
(2)物體的速度大小變化嗎?物體是加速運(yùn)動(dòng)還是減速運(yùn)動(dòng)?
(3)物體運(yùn)動(dòng)的方向是否變化?哪個(gè)時(shí)刻發(fā)生變化?第3 s末和第5 s末的速度是否相同?
答案 (1)物體從靜止開始運(yùn)動(dòng);第2 s末的速度大小為10 m/s。
(2)變化。0~1 s是加速運(yùn)動(dòng),1~3 s是勻速運(yùn)動(dòng),3~4 s是減速運(yùn)動(dòng),4~5 s是反向加速運(yùn)動(dòng)。
(3)變化。0~4 s沿正方向運(yùn)動(dòng),4~5 s沿負(fù)方向運(yùn)動(dòng);在第4 s末運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變。第3 s末和第5 s末的速度大小相等,但方向相反,故不相同。
1.速度—時(shí)間圖像的意義:直觀表示物體運(yùn)動(dòng)的速度隨時(shí)間變化的規(guī)律。
2.速度—時(shí)間圖像的獲得:用橫軸表示時(shí)間t,縱軸表示速度v,建立直角坐標(biāo)系。根據(jù)測量的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中描點(diǎn),然后用平滑的曲線把這些點(diǎn)連接起來,即得到v-t圖像,如圖所示。
3.v-t圖像的應(yīng)用
(1)由v-t圖像直接讀出任一時(shí)刻所對應(yīng)的速度。
(2)可以從v-t圖像上直接判斷速度的方向;圖像位于t軸上方,表示物體向正方向運(yùn)動(dòng);圖像位于t軸下方,表示物體向負(fù)方向運(yùn)動(dòng)。
(3)如圖所示,v-t圖像中兩條圖線的交點(diǎn)表示兩個(gè)物體在該時(shí)刻具有相同的速度。
注意:v-t圖像只能表示直線運(yùn)動(dòng),速度有正、負(fù)兩個(gè)方向。
例3 (多選)做直線運(yùn)動(dòng)的物體,其v-t圖像如圖所示,下列判斷正確的是( )
A.物體在1 s末改變運(yùn)動(dòng)方向B.物體在前3 s內(nèi)運(yùn)動(dòng)方向不變
C.物體在3 s末運(yùn)動(dòng)方向改變D.物體在2 s末和4 s末的速度相同
答案 BC
解析 前3 s內(nèi)物體的速度方向均為正,運(yùn)動(dòng)方向沒有改變,A錯(cuò)誤,B正確;由題圖可知物體在t=3 s后速度為負(fù),說明物體改變了運(yùn)動(dòng)方向,C正確;物體在2 s末和4 s末的速度大小都為2 m/s,但方向相反,D錯(cuò)誤。
三、用光電門測速度
如圖所示,當(dāng)滑塊通過光電門時(shí),光電計(jì)時(shí)器記錄了遮光條通過光電門的時(shí)間,而遮光條的寬度d已知,且非常小。由于滑塊通過光電門的時(shí)間Δt非常短,在這段時(shí)間內(nèi)滑塊的運(yùn)動(dòng)可以近似看作勻速直線運(yùn)動(dòng),所以可認(rèn)為遮光條通過光電門時(shí)的瞬時(shí)速度等于其通過光電門的平均速度大小,即v=eq \f(Δx,Δt)=eq \f(d,Δt)。
例4 用如圖所示的計(jì)時(shí)裝置可以近似測出氣墊導(dǎo)軌上滑塊的瞬時(shí)速度。已知固定在滑塊上的遮光條的寬度為4 mm,遮光條經(jīng)過光電門的遮光時(shí)間為0.04 s。
(1)滑塊經(jīng)過光電門位置時(shí)的速度大小為______________。
(2)為使eq \f(Δx,Δt)更接近瞬時(shí)速度,正確的措施是____________。
A.換用寬度更窄的遮光條
B.換用寬度更寬的遮光條
C.提高測量遮光條寬度的精確度
D.使滑塊的釋放點(diǎn)更靠近光電門
答案 (1)0.1 m/s (2)A
解析 (1)v=eq \f(d,Δt)=eq \f(4×10-3,4×10-2) m/s=0.1 m/s
(2)瞬時(shí)速度表示運(yùn)動(dòng)物體在某一時(shí)刻(或經(jīng)過某一位置時(shí))的速度,當(dāng)Δt→0時(shí),eq \f(Δx,Δt)可看成物體的瞬時(shí)速度,Δx越小,Δt也就越小,A項(xiàng)正確,B項(xiàng)錯(cuò)誤;提高測量遮光條寬度的精確度,不能減小Δt,C項(xiàng)錯(cuò)誤;使滑塊的釋放點(diǎn)更靠近光電門,滑塊通過光電門時(shí)的速度可能更小,時(shí)間更長,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
課時(shí)對點(diǎn)練
考點(diǎn)一 v-t圖像
1.(多選)下列四個(gè)圖像中表示物體做加速運(yùn)動(dòng)的是( )
答案 BD
2.如圖所示為做直線運(yùn)動(dòng)的甲、乙兩質(zhì)點(diǎn)的v-t圖像。有關(guān)甲、乙兩質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),下列說法中正確的是( )
A.質(zhì)點(diǎn)甲、乙的速度相同
B.質(zhì)點(diǎn)甲向選定的正方向運(yùn)動(dòng),質(zhì)點(diǎn)乙與甲的運(yùn)動(dòng)方向相反
C.不管質(zhì)點(diǎn)甲、乙是否從同一地點(diǎn)開始運(yùn)動(dòng),它們之間的距離一定越來越大
D.在相同的時(shí)間內(nèi),質(zhì)點(diǎn)甲、乙的位移相同
答案 B
3.如圖是物體做直線運(yùn)動(dòng)的v-t圖像,由圖可知,該物體( )
A.第1 s內(nèi)和第3 s內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方向相反
B.第2 s內(nèi)靜止不動(dòng)
C.第3 s內(nèi)和第4 s內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方向相反
D.第2 s末和第4 s末的速度相同
答案 C
解析 物體在第1 s內(nèi)和第3 s內(nèi)速度都在t軸上方,故運(yùn)動(dòng)方向相同,故A錯(cuò)誤;
第2 s內(nèi)速度保持不變,物體做勻速運(yùn)動(dòng),故B錯(cuò)誤;
第3 s內(nèi)速度為正,第4 s內(nèi)速度為負(fù),故C正確;
第2 s末和第4 s末速度大小相等,方向相反,故D錯(cuò)誤。
考點(diǎn)二 測量紙帶的平均速度和瞬時(shí)速度
4.(2023·北師大附中高一期中)如圖所示,圖甲是電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的示意圖,圖乙是該打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在某次實(shí)驗(yàn)中打出的紙帶,(電源頻率為50 Hz)則以下說法中正確的是( )
A.將該打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接在8 V的直流電源上,它將在紙帶上每隔0.02 s打一個(gè)點(diǎn)
B.當(dāng)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作時(shí),紙帶上點(diǎn)跡越疏的地方表示紙帶的運(yùn)動(dòng)速度越小
C.若紙帶上打出D、F兩點(diǎn)的時(shí)間間隔為Δt,兩點(diǎn)間距離為Δx,則eq \f(Δx,Δt)可以大致表示紙帶上D、F之間任何一點(diǎn)的瞬時(shí)速度
D.D、F兩點(diǎn)間距離過小,測量誤差會增大,所以實(shí)際測量中D、F之間的距離越大越好
答案 C
解析 將該打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接在8 V的交變電源上,它將在紙帶上每隔0.02 s打一個(gè)點(diǎn),選項(xiàng)A錯(cuò)誤;當(dāng)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作時(shí),紙帶上點(diǎn)跡越疏的地方表示紙帶的運(yùn)動(dòng)速度越大,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;若紙帶上打出D、F兩點(diǎn)的時(shí)間間隔為Δt,兩點(diǎn)間距離為Δx,則eq \f(Δx,Δt)可以大致表示紙帶上D、F之間任何一點(diǎn)的瞬時(shí)速度,選項(xiàng)C正確;D、F兩點(diǎn)間距離越小,測量誤差會變大,但實(shí)際測量中D、F之間的距離并非越大越好,適當(dāng)增大最好,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。
5.在“測量紙帶的速度”的實(shí)驗(yàn)中,得到如圖所示的紙帶,其中A、B、C、D、E、F、G為計(jì)數(shù)點(diǎn),相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔為T,x1、x2、x3、x4、x5、x6分別為AB、BC、CD、DE、EF、FG的長度,下列用來計(jì)算打D點(diǎn)時(shí)紙帶速度的表達(dá)式中誤差最小的是( )
A.eq \f(x3+x4,T) B.eq \f(x3+x4,2T)
C.eq \f(x2+x3+x4+x5,4T) D.eq \f(x1+x6,2T)
答案 B
解析 某點(diǎn)的瞬時(shí)速度可以用該點(diǎn)為中間時(shí)刻的一段時(shí)間內(nèi)的平均速度大小來代替,vn=eq \f(xn+xn+1,2T),而且所選時(shí)間段越短,誤差越小,B正確。
6.如圖所示的A、B、C三條紙帶,是某同學(xué)練習(xí)使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)得到的紙帶(紙帶的左端連接小車),電源頻率為50 Hz。
(1)從點(diǎn)跡的分布情況可以斷定:紙帶________是勻速通過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的,紙帶________是越來越快的,紙帶________是開始越來越快,后來又越來越慢的。(均填“A”“B”或“C”)
(2)圖中紙帶C是舍去前面比較密的點(diǎn),從0點(diǎn)開始,每5個(gè)連續(xù)點(diǎn)取1個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn),標(biāo)以1,2,3,4,5,那么相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為______ s。各計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的距離如圖所示,則小車通過“1”計(jì)數(shù)點(diǎn)的速度大小v1=______ m/s,通過“3”計(jì)數(shù)點(diǎn)的速度大小v3=________ m/s。
答案 (1)A B C (2)0.1 0.135 0.18
解析 (1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)的時(shí)間間隔相同,若紙帶做勻速運(yùn)動(dòng),則打出的點(diǎn)間距是相等的,若紙帶做加速運(yùn)動(dòng),則打出的點(diǎn)間距越來越大,若紙帶做減速運(yùn)動(dòng)時(shí),則打出的點(diǎn)間距越來越小,由此可知,紙帶A是勻速通過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的,紙帶B是越來越快的,紙帶C是開始越來越快后來又越來越慢的。
(2)兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔T=0.1 s,通過“1”計(jì)數(shù)點(diǎn)的速度大小可用0、2計(jì)數(shù)點(diǎn)間的平均速度大小表示,則有v1=eq \f(?1.20+1.50?×10-2 m,2×0.1 s)=0.135 m/s。
通過“3”計(jì)數(shù)點(diǎn)的速度大小可用2、4計(jì)數(shù)點(diǎn)間的平均速度大小表示,則有v3=eq \f(?2.20+1.40?×10-2 m,2×0.1 s)=0.18 m/s。
7.某興趣小組的同學(xué)們在做“用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測速度”的實(shí)驗(yàn)中,讓重錘自由下落,打出的一條紙帶如圖所示,圖中直尺的單位為cm,點(diǎn)O為紙帶上記錄到的第一個(gè)點(diǎn),點(diǎn)A、B、C、D、…依次表示點(diǎn)O以后連續(xù)打出的各點(diǎn),已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器每隔T=0.02 s打一個(gè)點(diǎn)。
(1)紙帶的________(填“左端”或“右端”)與重錘相連。
(2)xOF=________cm,xOH=________cm,F(xiàn)H段的平均速度大小為eq \x\t(v)=________m/s。
(3)如果當(dāng)時(shí)交變電流的頻率f=51 Hz,而計(jì)算時(shí)仍按f=50 Hz處理,那么速度測量值將________(填“偏大”“偏小”或“相等”)(已知T=eq \f(1,f))
答案 (1)左端 (2)6.10 11.40 1.325 (3)偏小
解析 (1)紙帶下落時(shí),速度越來越快,紙帶上的點(diǎn)跡為等時(shí)間間隔的位移。則點(diǎn)跡間距不斷增大,從題圖知從左到右點(diǎn)跡間距逐漸增加,則紙帶的左端與重錘相連。
(2)由題圖可知,xOF=6.10 cm,xOH=11.40 cm,xFH=xOH-xOF=5.30×10-2 m,則eq \x\t(v)=eq \f(5.30×10-2,2×0.02) m/s=1.325 m/s。
(3)如果f=51 Hz>50 Hz,則實(shí)際打點(diǎn)周期偏小,計(jì)時(shí)引用數(shù)據(jù)偏大,由v=eq \f(Δx,T)中可知,速度測量值將偏小。
8.用氣墊導(dǎo)軌和數(shù)字計(jì)時(shí)器能更精確地測量物體的瞬時(shí)速度。如圖所示,滑塊在牽引力作用下先后通過兩個(gè)光電門,配套的數(shù)字計(jì)時(shí)器記錄了遮光條通過光電門1的時(shí)間為Δt1=0.29 s,通過光電門2的時(shí)間為Δt2=0.11 s,已知遮光條的寬度為3.0 cm,則滑塊通過光電門1的速度大小為________ m/s,通過光電門2的速度大小為______ m/s。(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)
答案 0.10 0.27
解析 由于滑塊經(jīng)過光電門時(shí)遮光條的擋光時(shí)間較短,所以滑塊經(jīng)過光電門的速度大小可用遮光條擋光時(shí)間內(nèi)的平均速度大小表示。經(jīng)過光電門1的速度大小v1=eq \f(d,Δt1)=eq \f(3.0×10-2,0.29) m/s ≈0.10 m/s,經(jīng)過光電門2的速度大小v2=eq \f(d,Δt2)=eq \f(3.0×10-2,0.11) m/s≈0.27 m/s。
9.除打點(diǎn)計(jì)時(shí)器外,人們還用頻閃照相法來記錄物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間和位移。如圖所示是采用每秒閃光10次拍攝的小球沿斜面滾下的頻閃照片,照片中每兩個(gè)相鄰小球的影像間隔的時(shí)間就是0.1 s,這樣便記錄了小球運(yùn)動(dòng)的時(shí)間,而小球運(yùn)動(dòng)的位移可以用尺子量出。
根據(jù)小球的頻閃照片提供的信息,在圖中作出小球的v-t圖像,并由圖像確定第一次曝光時(shí)小球的速度大小為________ m/s。
答案 見解析圖 0.40
解析 可以求出第2、3、4、5次曝光時(shí)小球的速度大小,
v2=eq \f(0.160 m,0.2 s)=0.80 m/s,
v3=eq \f(?0.300-0.070? m,0.2 s)=1.15 m/s,
v4=eq \f(?0.500-0.160? m,0.2 s)=1.70 m/s,
v5=eq \f(?0.710-0.300? m,0.2 s)=2.05 m/s,
小球的v-t圖像為直線(如圖所示),
延長圖線可知第一次曝光時(shí)小球的速度大小v1=0.40 m/s。
位置
0
1
2
3
4
…
x/m
Δx/m
Δt/s
v/(m·s-1)
位置
0
1
2
3
4
5
…
x/m
Δx/m
Δt/s
v/(m·s-1)
t/s
0
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
v/(m·s-1)
0.72
0.77
0.82
0.86
0.92
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這是一份人教版 (2019)必修 第一冊第一章 運(yùn)動(dòng)的描述3 位置變化快慢的描述——速度第二課時(shí)課后復(fù)習(xí)題,共4頁。
這是一份人教版 (2019)必修 第一冊3 位置變化快慢的描述——速度第2課時(shí)測試題,共9頁。
這是一份高中物理人教版 (2019)必修 第一冊3 位置變化快慢的描述——速度當(dāng)堂達(dá)標(biāo)檢測題,共9頁。試卷主要包含了解析等內(nèi)容,歡迎下載使用。
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