2018高中物理 每日一題之快樂暑假 第19天 實驗：用打點計時器研究自由落體運動（含解析）新人教版.doc

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第19天 實驗：用打點計時器研究自由落體運動 考綱要求：Ⅰ 難易程度：★★★☆☆ 某同學利用圖甲所示的實驗裝置測量重力加速度。 （1）請指出該同學在實驗操作中存在的兩處明顯錯誤： ________________________________、_______________________________。 （2）該同學經正確操作后得到如圖乙所示的紙帶，取連續(xù)的六個點，測得h1、h2、h3、h4、h5。若打點的周期為T，則打E點時重物的速度vE=___________；若分別計算出各計數(shù)點對應的速度數(shù)值，并在坐標系中畫出v2與h的關系圖線，如圖丙所示，則重力加速度 g=________m/s2。 （3）若當?shù)氐闹亓铀俣葹?.8 m/s2，請寫出誤差的主要原因________________。 【參考答案】（1）打點計時器應接交流電源 重物釋放時應靠近打點計時器 （2） 9.4 （3）空氣阻力和紙帶與打點計時器限位孔間的摩擦 【試題解析】（1）打點計時器應接交流電源，接直流電源無法打點；重物釋放時應靠近打點計時器，否則打點過少，浪費紙帶，且不一定能獲得誤差較小的有效數(shù)據(jù)。 （2）利用勻變速直線運動的推論有，根據(jù)有，v2–h圖線的斜率為2倍的重力加速度，所以。 （3）測量值小于實際值，產生誤差的主要原因為空氣阻力和紙帶與打點計時器限位孔間的摩擦。 【知識補給】 自由落體運動實驗 研究自由落體運動和測重力加速度實驗屬于研究勻變速直線運動的實驗，只是勻變速直線運動中物體運動的加速度大小不確定，而自由落體運動中物體運動的加速度與重力加速度相關（由于誤差和實驗方法，不等于重力加速度）。 研究勻變速直線運動實驗的實驗方法和數(shù)據(jù)處理方法都能夠用到探究自由落體運動的加速度實驗中。實驗可用打點計時器和紙帶進行研究，也可用光電門測速度或頻閃儀得到等時間間隔的位移等。 如圖，拿一個長約1.5 m的玻璃筒，一端封閉，另一端有開關，把金屬片和小羽毛放到玻璃筒里由靜止釋放。觀察金屬片和小羽毛下落的情況，下列說法正確的是 A．筒內充滿空氣時，兩者下落一樣快 B．筒內充滿空氣時，兩者均做自由落體運動 C．筒內抽出空氣后，兩者均做自由落體運動 D．筒內抽出空氣后，金屬片比小羽毛下落快 某同學利用如圖所示的實驗裝置測定重力加速度的大小，具體的操作和相應的數(shù)據(jù)記錄如下： A．接通電磁鐵的電源（圖中未畫出），吸住小鐵球； B．用游標卡尺測出小鐵球的直徑d=10.0 mm； C．用刻度尺測出電磁鐵下端到光電門的距離L=82 cm； D．電磁鐵斷電時，小鐵球自由下落。 （1）在小鐵球下落時，計時裝置記錄小鐵球經過光電門所用的時間t=2.5010–3s，由此可得小鐵球經過光電門的速度公式為v=_________（用題給物理量的字母表示），速度大小為________m/s。 （2）計算重力加速度的公式為g=__________，重力加速度的值為________m/s2（保留三位有效數(shù)字）。 圖甲所示為某中學物理課外學習小組設計的測定當?shù)刂亓铀俣鹊膶嶒炑b置，他們的主要操作如下： ①安裝實驗器材，調節(jié)試管夾（小鐵球）、光電門和紙杯在同一豎直線上。 ②打開試管夾，由靜止釋放小鐵球，用光電計時器記錄小鐵球在兩個光電門間的運動時間t，并用刻度尺（圖上未畫出）測量出兩個光電門之間的高度h，然后計算出小鐵球通過兩光電門間的平均速度v。 ③固定光電門B的位置不變，改變光電門A的高度，重復②的操作。測出多組（h，t），并計算出對應的平均速度v。 ④畫出v–t圖象。 請根據(jù)實驗，回答如下問題： （1）設小鐵球到達光電門B時的速度為vB，當?shù)氐闹亓铀俣葹間，則小鐵球通過兩光電門間的平均速度v的表達式為_________。（用vB、g和t表示） （2）實驗測得的數(shù)據(jù)如表所示。 實驗次數(shù) h/cm t/s v/（ms-1） 1 10.0 0.028 3.57 2 20.0 0.059 3.39 3 30.0 0.092 3.26 4 40.0 0.131 3.05 5 50.0 0.176 2.84 6 60.0 0.235 2.55 請在圖乙所示坐標紙上畫出v–t圖象。 （3）根據(jù)v–t圖象，可以求得當?shù)刂亓铀俣萭=_______m/s2。（結果保留3位有數(shù)數(shù)字） 如圖是某同學研究小球下落時的頻閃照片，頻閃儀每隔0.1 s閃光一次并進行拍照。照片中小球靜止時在位置1。某時刻釋放小球，下落中的小球各位置與位置1的距離已在圖中標出（單位：cm）。實驗過程沒有錯誤，但該同學發(fā)現(xiàn)圖中數(shù)據(jù)存在以下問題：根據(jù)，而圖中標出的位置1和位置2的距離為1.23 cm，比4.90 cm小很多，你對此問題的解釋是_______________________。下落中小球在位置3的速度為_________m/s，小球做自由落體運動的加速度為_______m/s2。（計算結果均保留3位有效數(shù)字） 在暗室中用如圖所示的裝置做“測定重力加速度”的實驗。實驗器材有：支架、漏斗、橡皮管、尖嘴玻璃管，螺絲夾子、接水鋁盒、一根熒光刻度的米尺、頻閃儀等。具體實驗步驟如下： ①在漏斗內盛滿清水，旋松螺絲夾子，水滴會以一定的頻率一滴滴地落下； ②用頻閃儀發(fā)出的白閃光將水滴流照亮，由大到小逐漸調節(jié)頻閃儀的頻率直到第一次看到一串仿佛固定不動的水滴； ③用豎直放置的米尺測得各個水滴所對應的刻度； ④采集數(shù)據(jù)進行處理。 （1）實驗中看到一串仿佛固定不動的水滴時，頻閃儀的閃光頻率滿足的條件是_____________。 （2）實驗中觀察到水滴“固定不動”時的閃光頻率為30 Hz，某同學讀出其中比較圓的水滴到第一個水滴的距離如圖所示，則當?shù)刂亓铀俣萭=________m/s2；第8個水滴此時的速度v8=________m/s。（結果均保留三位有效數(shù)字） （3）該實驗存在的系統(tǒng)誤差可能有________________________（答出一條即可）。 某興趣小組的同學用如圖1所示的裝置測量當?shù)氐闹亓铀俣?，實驗所用交流電源的頻率為50 Hz。 （1）甲同學實驗時得到的紙帶點跡清晰且第1點與第2點間的距離為1.5 cm，則造成該現(xiàn)象的主要操作原因是____________。 （2）乙同學按正確操作也得到一條點跡清晰的紙帶，在紙帶上選取一個點為計時零點，測出后面各點到該計時零點的距離h，及記錄各點對應的時刻t，作出圖象如圖2所示，由實驗測得當?shù)刂亓铀俣萭=_________ m/s2（結果保留兩位有效數(shù)字），該同學從資料上查得當?shù)氐闹亓铀俣葹?.8 m/s2，他發(fā)現(xiàn)重力加速度g的測量值與實際值有差異，造成這個差異的原因可能為________________。 某同學用電火花計時器（其打點周期T=0.02 s）來測定自由落體的加速度。 （1）下列器材中，不需要的是___________（只需填選項字母）。 A．直尺 　 B．4～6 V交流電源 C．天平 　 D．紙帶 （2）實驗中取紙帶上的一段，點1、2、3……9為連續(xù)打出的，如圖所示，由此測得加速度的大小為________m/s2。（計算結果保留三位有效數(shù)字） （3）當?shù)氐闹亓铀俣却笮?.80 m/s2，測量值與實際值有差異的主要原因是____________________________________________________________________________。 【參考答案】 （1）小鐵球經過光電門所用時間很短，可以用平均速度代替瞬時速度，所以v==4 m/s。 （2）根據(jù)v2=2gh，可得。 （1） （2）如圖所示 （3）9.85 （1）小鐵球通過兩光電門間的平均速度等于中間時刻的瞬時速度，根據(jù)速度時間關系可得，解得：。 （2）根據(jù)題中數(shù)據(jù)，描點作圖： （3）根據(jù)可知，圖線斜率的絕對值是，則，解得：。 （1）頻閃儀頻率等于水滴滴落的頻率 （2）9.72 2.28 （3）空氣阻力（或水滴滴落的頻率變化） （1）由于頻閃儀的頻率由大到小調節(jié)，故當頻閃儀的頻率等于水滴滴落的頻率時，第一次看到一串仿佛固定不動的水滴。 （2）由逐差法可得，根據(jù)勻變速直線運動的中間時刻速度等于該過程的平均速度可得。 （3）該實驗存在的系統(tǒng)誤差可能有空氣阻力或水滴滴落的頻率變化。 的質量無關，所以不需要天平，故選BC。 （2）根據(jù)導出公式，由題圖所示紙帶可知，重力加速度； （3）物體在下落過程中由于受到摩擦阻力、空氣阻力作用，使重力加速度的測量值小于真實值。 【點睛】做處理紙帶數(shù)據(jù)時，勻變速直線運動的兩個推論能使我們更為方便解決問題，一、在相等時間內走過的位移差是一個定值，即，二、在選定的某一過程中，中間時刻瞬時速度等于該過程中的平均速度。