人教版高中物理必修一講義-第一章14實驗：用打點計數(shù)器速度

1、§1.4實驗：用打點計時器測速度教學(xué)目標(biāo)：知識與技能 1了解打點計時器的計時原理，理解紙帶中包含的物體運動的信息(時間、位移) 2會安裝并使用打點計時器，理解根據(jù)紙帶測量速度的原理并測量瞬時速度 3明確速度一時間圖象的物理意義，描點法畫圖象的方法，并畫出該實驗中的速度一時間圖象，能從圖象中獲取有用的信息過程與方法 1通過學(xué)生自己看打點計時器的說明書，培養(yǎng)學(xué)生獨立學(xué)習(xí)的能力 2通過實驗得出物體的運動信息，用數(shù)學(xué)方法表述出來培養(yǎng)學(xué)生獲取信息、處理信息的能力，體會處理問題的方法，領(lǐng)悟如何間接測一些不能直接測量的物理量的方法 3通過畫速度一時間圖象培養(yǎng)學(xué)生用圖象法處理數(shù)據(jù)的能力，體驗數(shù)學(xué)工具

2、在物理發(fā)展中的作用 4體驗實驗中理性思維的重要，既要動手，更要動腦 5經(jīng)歷科學(xué)探究過程，認(rèn)識科學(xué)探究的意義，嘗試應(yīng)用科學(xué)探究的方法研究物體運動情感態(tài)度與價值觀 1感受打點計時器的巧妙設(shè)計思路，體會物理原理在解決實際問題中的指導(dǎo)作用，增強將物理知識應(yīng)用于生活實際的意識 2經(jīng)歷實驗過程，體驗科學(xué)實驗過程的艱辛與喜悅，并樂于探索自然界的奧妙 3體驗用圖象的方法描述物理現(xiàn)象的樂趣培養(yǎng)學(xué)生用數(shù)學(xué)方法處理物理問題的意識培養(yǎng)學(xué)生敢于創(chuàng)新和實事求是的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神 4培養(yǎng)學(xué)生合作與交流的精神，有將自己的見解與他人交流的愿望，養(yǎng)成在合作中既堅持原則又尊重他人的習(xí)慣教學(xué)重點： 1學(xué)會使用打點計時器 2能根據(jù)紙

3、帶計算物體運動的瞬時速度3會用描點法描繪物體的速度一時間圖象，并從中獲取物理信息教學(xué)難點：處理紙帶的方法，用描點法畫圖象的能力教學(xué)方法：探究、講授、討論、練習(xí)教學(xué)手段：教具準(zhǔn)備 ：多媒體課件、電磁打點計時器、電火花計時器、學(xué)生電源、導(dǎo)線、紙帶、刻度尺、坐標(biāo)紙課時安排：新授課（2課時）教學(xué)過程：新課導(dǎo)入測定物體的速度并不是一件很容易的事情，特別是當(dāng)物體的運動速度在不停變化時，測定某時刻的速度更是比較困難的，如上下飛舞的蝴蝶，要確定它某一時刻的速度是很困難的我們現(xiàn)在只研究直線運動的速度的測量問題當(dāng)物體沿直線運動時，其位移在不斷變化，要研究物體的運動，我們首先要準(zhǔn)確記錄物體運動的信息直接測量物體運動

4、的速度在技術(shù)上是比較復(fù)雜的，我們在測量時可以嘗試通過測量物體運動的時間和位移，再經(jīng)過計算或作圖來判斷物體的運動情況在實驗中，我們可以使用秒表和尺子，直接測量物體運動的時間和位移，但當(dāng)物體運動速度太快時，采用這種方法的測量誤差較大打點計時器就是一種記錄物體運動位移和時間信息的儀器，我們可以通過測量位移和時間來計算物體運動的速度以及速度的變化快慢課堂活動作為同桌的兩位同學(xué)合作，簡易模擬打點計時器1同桌兩位同學(xué)之間，一位同學(xué)手拿一枝彩色畫筆，另一位同學(xué)牽動一條寬約1cm的長紙帶，使紙帶在你的筆下沿著直線緩慢向前移動你按照一定的時間間隔點擊紙帶(比如每秒1次，或每秒2次)，比比看，看誰牽動紙帶的速度變

5、化最小想一想，相鄰兩點的距離跟牽動紙帶的速度有什么關(guān)系?牽動紙帶的快慢不均勻，對相鄰兩點所表示的時間有沒有影響?2兩位同學(xué)競走比賽，為了比較他們的運動情況，現(xiàn)在讓每位同學(xué)都提著底部穿孔、漏沙。比較均勻的兩個沙袋一起競走，然后通過他們的漏沙情況來判斷他們的勻速運動情況和加速情況。以上兩個探究活動目的是讓學(xué)生體驗打點計時器通過打點達到計時目的的原理生：相鄰兩點間的距離隨著牽動紙帶的速度的增大而加大紙帶運動的快慢不均勻，點子的間隔也不均勻，但對相鄰兩點間的時間間隔沒有影響生：參加競走的兩人若運動快慢比較穩(wěn)定，則漏沙比較均勻，若加速運動，會發(fā)現(xiàn)快的時候漏沙少，慢的時候漏沙多新課教學(xué)師：在以上的活動中，

6、同學(xué)們認(rèn)識到了打點和漏沙可以體現(xiàn)物體運動的快慢今天我們就來學(xué)習(xí)用打點計時器測定物體運動速度的方法，并用圖象把這些速度形象地表示出來一、電磁打點計時器 教師布置學(xué)生對照儀器看說明書，引導(dǎo)學(xué)生注意其重點：觀察打點計時器并閱讀其使用說明書，明確電磁打點計時器的結(jié)構(gòu)、各部分的名稱、工作原理及使用方法電磁打點計時器是一種使用交流電源的計時儀器，如圖141所示工作電壓為4 V6 V當(dāng)電源的頻率是50 Hz時，它每隔0.02 s打一次點通電以前，把紙帶穿過限位孔，再把套在軸上的復(fù)寫紙片壓在紙帶的上面當(dāng)接通電源時，線圈產(chǎn)生的交變磁場使振動片(由彈簧鋼制成)磁化，振動片的一端位于永久磁鐵的磁場中由于振動片的磁極

7、隨著電流方向的改變面不斷變化，在永久磁鐵的磁場作用下，振動片將上下振動，其振動周期與線圈中的電流變化局期一致，即為0.02s位于振片一端的振針就跟著上下振動起來，這時，如果紙帶運動，振針就在紙帶上打出一系列小點。交流與討論電磁打點計時器使用低壓交流電源工作，大家想一想能不能使用直流電源，為什么?生：工作原理中是靠電流方向的改變來改變磁鐵的磁場方向，從而促使振動片上下振動，并且振動片的振動周期與電源的電流變化周期一致。若使用50 Hz的交流電，打點的時間間隔為002s.這個值正好是電源頻率的倒數(shù)。二、電火花計時器教師布置學(xué)生對照儀器看說明書，引導(dǎo)學(xué)生注意其重點：觀察打點計時器并閱讀說明書，明確兩

8、種打點計時器的結(jié)構(gòu)、各部分的名稱、工作原理及使用方法使用時電源插頭直接插在交流220V插座內(nèi)，將裁成圓片(直徑約38mm)的墨粉紙盤的中心孔套在紙盤軸上，將剪切整齊的兩條普通有光白紙帶(20mmX700mm)從彈性卡和紙盤軸之間的限位槽中穿過，并且要讓墨粉紙盤夾在兩條紙帶之間這樣當(dāng)兩條紙帶運動時，也能帶動墨粉紙盤運動，當(dāng)按下脈沖輸出開關(guān)時，放電火花不至于始終在墨粉紙盤的同一位置而影響到點跡的清晰度也可以用上述尺寸的白紙帶和墨粉紙帶(位于下面)做實驗，還可以用兩條白紙帶夾著一條墨粉紙帶做實驗；墨粉紙可以使用比較長的時間，一條白紙帶也可以重復(fù)使用，應(yīng)注意降低實驗成本。交流與討論從原理上考慮，電火花

9、計時器跟電磁打點計時器相比，哪個更好些，誤差可能會更小?生：電火花計時器可能會更好些，因為電磁打點計時器中振針和紙帶間的摩擦?xí)笮┙處熢u論并系統(tǒng)總結(jié)師：電火花計時器使用中運動阻力極小，這種極小阻力來自于紙帶運動的本身，而不是打點產(chǎn)生的，因而系統(tǒng)誤差小，計時精度與交流電源頻率的穩(wěn)定程度一致(脈沖周期不大于50µs，這一方面也遠(yuǎn)優(yōu)于電磁打點計時器)，同時它的操作簡易，使用安全可靠(脈沖放電電流平均值不大于5 µA)師：打點計時器能記錄哪些信息?生：時間和位移下面的時間交給學(xué)生自主探究(課堂訓(xùn)練) 出示例題：電磁打點計時器的打點周期取決于( )A交流電壓的高低 B交流電的頻率C

10、永久磁鐵的磁性強弱 D振針與復(fù)寫紙間的距離 答案：B解析：電磁打點計時器的打點周期，即振針擊打復(fù)寫紙和紙帶的周期，從它利用電磁感應(yīng)打點的原理可知，振針是由振片帶動振動的，而振片上下振動的周期就是線圈中磁場變化的周期，與所用交流電源的電流方向變化周期相對應(yīng)也就是交流電的周期，等于交流電的頻率的倒數(shù)，即若使用電源的頻率為50Hz，則交流電的周期為1/50s002s我國使用的交流電的頻倒數(shù)，即若使用電源的頻率為50Hz，則交流電的周期為頻率統(tǒng)一為50 Hz。三練習(xí)使用打點計時器學(xué)生自主閱讀教材中的實驗步驟提示指導(dǎo)學(xué)生動手練習(xí)使用打點計時器，并引導(dǎo)學(xué)生思考：紙帶上的點與小車的位移和時間是如何對應(yīng)的，怎

11、樣將紙帶上的點變成相關(guān)的數(shù)據(jù)?交流與討論針對問題，學(xué)生討論實踐后回答問題1電磁打點計時器中怎樣安放復(fù)寫紙和紙帶的位置?生：將復(fù)寫紙?zhí)自趶?fù)寫紙定位銷上，推動調(diào)節(jié)片，可調(diào)節(jié)復(fù)寫紙位置將紙帶從復(fù)寫紙圓片下穿過。問題2振針打的點不清晰或打不出點可能是哪些原因?怎樣調(diào)整?生1：可檢查壓紙框的位置是否升高，而阻礙了振動片，振針打不到紙帶上，可將壓紙框向下壓恢復(fù)其原來位置生2：可能是復(fù)寫紙該換新的了生3：可能是振動片的振幅太小，可調(diào)整振動片的位置生4：可能是振針的位置太高，調(diào)整振針的位置，直到打出點為止生5：我選的電壓在4 V和6 V的情況下，打點的清晰度有點差別，電壓高的時候稍清晰，所以可調(diào)高一點電壓問題

12、3開啟電源打點完畢后要及時關(guān)閉電源，這樣做有什么好處?生：因打點計時器是按間歇工作設(shè)計的，故長期工作可能會因線圈發(fā)熱而損壞投影展示：電火花計時器的紙帶安裝方法(讓學(xué)生閱讀)：使用電火花計時器在紙帶上打點，安裝紙帶的方法有兩種，一種是用一條紙帶從墨粉盤下穿過，打點時墨粉盤不隨紙帶轉(zhuǎn)動，電火花只將墨粉盤上某一位置的墨粉蒸發(fā)到紙帶上，打出的點跡顏色較淡，打過一條紙帶后要將墨粉盤轉(zhuǎn)一角度再打另一條紙帶學(xué)生實驗時可采用這一方法另一種是用兩條紙帶，將墨粉盤夾在中間，拖動紙帶時由于兩條紙帶的摩擦作用，墨粉盤會隨紙帶轉(zhuǎn)動，電火花將墨粉盤上不同位置的墨粉蒸發(fā)到紙帶上，所以打出的點跡顏色較重墨粉盤上面的一條紙帶沒

13、有點跡，可重復(fù)使用用一條紙帶打點時，紙帶與打點計時器之間的摩擦阻力較小，用兩條紙帶打點時摩擦阻力較大不管用哪種方法，打完紙帶后應(yīng)立即切斷電源師：處理紙帶時，從能夠看清的某個點開始，往后數(shù)出若干個點。如果數(shù)出n個點，這些點劃分出來的時間間隔數(shù)是多少?生：共(n一1)個學(xué)生親自手拉紙帶練習(xí)使用打點計時器，自己設(shè)計表格，記錄測量數(shù)據(jù)思考與討論師：怎樣根據(jù)紙帶上的點跡計算紙帶的平均速度?生：測出兩個點間的距離，數(shù)一下這兩個點間共有多少個時間間隔，即有多少個0.02 s，用這個總距離去除以所需用的時間課堂訓(xùn)練出示題目：打在紙帶上的點，記錄了紙帶的運動時間如果把紙帶和運動的物體連接在一起，紙帶上的點就相應(yīng)

14、地表示出運動物體在不同時刻的位置研究紙帶上的點子之間的間隔，就可以了解運動物體在不同時間內(nèi)發(fā)生的位移，從而了解物體的運動情況請你用簡短的語言描述圖1·43所示每條紙帶記錄的物體的運動情況參考答案：(a)，(b)的各點分布較為均勻，是勻速運動，但從點子的疏密程度來看，(b)上的點子較稀疏，所反映的物體運動較快，速度較大(c)表示物體運動得越來越快，速度在增大，(d)表示物體運動得越來越慢，速度在減小四、用打點計時器測量瞬時速度思想方法，用某段時間內(nèi)的平均速度粗略代表這段時間內(nèi)的某點的瞬時速度所取的時間間隔越接近試點，這種描述方法越準(zhǔn)確示例：如圖144，測量出包括E點在內(nèi)的D，F(xiàn)兩點間的

15、位移x和時間t，算出紙帶在這兩點間的平均速度v=x/t，用這個平均速度代表紙帶經(jīng)過E點時的瞬時速度x/t可以大致表示正點的瞬時速度，D、F兩點離E點越近，算出的平均速度越接近正點的瞬時速度然而D，F(xiàn)兩點距離過小則測量誤差增大，應(yīng)該根據(jù)實際情況選取這兩個點 學(xué)生根據(jù)粗略表示某點瞬時速度的方法，選擇合適的計數(shù)點，測量包含這個點的一段時間內(nèi)的位移x，同時記錄對應(yīng)的時間t，填人教材第23頁中設(shè)計好的表1中根據(jù)v=x/t算出剛填完的表1中各點附近的平均速度，把它當(dāng)作計時器打下這些點時的瞬時速度，抄人教材第24頁表2中從該表中能粗略看出手拉紙帶運動的速度變化情況五、用圖象表示速度師：剛才我們從表2中的數(shù)據(jù)

16、可以粗略看出我們自己手拉紙帶運動的速度變化情況，圖象是表示變化規(guī)律的好方法，我們可以用圖象來描述物體的速度變化情況，那么怎樣用圖象來表示物體運動的速度呢?請同學(xué)們先看課文并回答生：在方格紙上建立直角坐標(biāo)系，用縱坐標(biāo)表示物體運動的速度，用橫坐標(biāo)表示時間，根據(jù)表中各時刻的速度將(v，t)作為一組坐標(biāo)在圖象中描點，將點連線后得出的圖象稱為速度一時間圖象(vt圖象)，簡稱速度圖象學(xué)生具體操作描點師：我們從根據(jù)實測數(shù)據(jù)所描的點，可以從這些點的走向大致看出紙帶速度的變化規(guī)律師：為了更清晰，你可以把這些點用折線連起來在老師的提示和幫助下連線師：速度的實際變化應(yīng)該是比較平滑的，所以，如果用一條平滑的曲線來“擬

17、合”這些點，曲線反映的規(guī)律應(yīng)該與實際情況更接近指導(dǎo)學(xué)生換用紅色筆用平滑的線將剛才描過的點再重新描畫一遍師：我們現(xiàn)在來觀察圖象，可以更形象直觀地顯示自己手拉紙帶的運動情況說一說百米賽跑時運動員的速度從始至終是不變的嗎?如果有變化，你估計是怎樣變化的?某位運動員的百米賽跑的成績是1057s，按照你的估計畫出他在這段時間的vt圖象的草圖如果是沒有受過訓(xùn)練的同學(xué)跑百米，他的vt圖象的形狀可能有什么不同?參考提示：運動員的百米賽跑中，速度變化較大大致可以分為三個階段，啟動階段，速度從零迅速增大，中間階段，這一階段速度幾乎不變：沖刺階段，速度逐漸增到最大如圖146所示如果是沒有受過訓(xùn)練的同學(xué)跑百米，他的速

18、度可能是先增加到最大，然后又逐漸減小如圖147所示實踐與拓展在學(xué)校舉行的秋季運動會中，某同學(xué)獲得了高一級100m賽跑的第一名，他的成績是1221s按照你的估計畫出他在比賽過程中的vt圖象如圖148所示(思考提示：這位同學(xué)賽跑時的速度從始至終都是不變的嗎?如果有變化，你估計是怎樣的變化?把這種變化用圖線表示出來時，要考慮哪些描述運動的物理量?)解析：100m賽跑時這位同學(xué)的速度不是從始至終保持不變的起跑時從靜止開始加速，速度迅速增大，然后以大致相等的速度完成后段路程該運動員的速度圖象要求具有的特征：(1)速度圖線從零開始(2)能反映開始的加速段和后來的勻逮，圖線具有前段較陡，后段較平緩(3)圖線

19、所圈的面積約為100 m，可通過數(shù)格的方法進行，大于半格的算一個，小于半格的不算小結(jié)電磁打點計時器和電火花計時器都是記錄運動物體在一定時間間隔內(nèi)位移的儀器vt圖象：表示做直線運動物體的速度隨時間變化的規(guī)律某段時間圖線與時間軸圍成的面積值表示該段時間內(nèi)物體通過的位移大小形狀一樣的圖線，在不同圖象中所表示的物理規(guī)律不同 (一)剖析誤差概念 測量值與被測物理量的真實值的差異稱為誤差實驗中，誤差不可避免，但可以減小 1從誤差來源看，誤差可分為偶然誤差和系統(tǒng)誤差 (1)偶然誤差：偶然誤差是由于各種偶然因素對實驗者和實驗儀器的影響而產(chǎn)生的例如讀儀表時，眼睛可能一次偏右、一次偏左，電表指針轉(zhuǎn)動時的摩擦，可能

20、一次偏大、一次偏小 偶然誤差的特點：實驗結(jié)果有時偏大，有時偏小，重復(fù)實驗時，偏大、偏小的機會接近減小偶然誤差的方法是取多次實驗的平均值作為實驗結(jié)果 (2)系統(tǒng)誤差：由儀器結(jié)構(gòu)缺陷，實驗方法不完善造成的其來源為： 實驗儀器本身的誤差，由于儀器本身的缺陷，如天平兩臂不完全等長、電表精度較差 實驗原理不夠完備，如用伏安法測電阻時，電流表和電壓表的內(nèi)阻對實驗結(jié)果的影響 實驗方法粗略，如驗證機械能守恒定律，忽略空氣阻力對實驗結(jié)果產(chǎn)生的影響 系統(tǒng)誤差的基本特點是：實驗結(jié)果總是具有相同的傾向性，即總是偏大或偏小減小系統(tǒng)誤差的方法：完善實驗原理，提高實驗儀器的測量精度，設(shè)計更精巧的實驗方法。 2從分析數(shù)據(jù)看，

21、誤差分為絕對誤差和相對誤差 (1)絕對誤差：絕對誤差是測量值與被測物理量真實值之差(絕對值)如用毫米刻度尺測量一段銅線的直徑，讀數(shù)為1.2mm，o.2mm是估讀數(shù)，可以認(rèn)為誤差是o.2mm；如改用螺旋測微器測量，讀數(shù)為1.223mm，0.003mm是估讀數(shù)，可以認(rèn)為誤差是0.003mm可見，在直接用儀器測量某一物理量時，提高測量儀器的精度是減小絕對誤差的主要方法 (2)相對誤差：相對誤差等于絕對誤差x與真實值x。之比，一般用百分?jǐn)?shù)表示X100它反映了實驗結(jié)果的精確程度 (3)引入絕對誤差和相對誤差兩個概念是為了評價測量結(jié)果的優(yōu)劣 用米尺測量長度為100.00cm的擺線，絕對誤差為1mm；用螺旋測微器測直徑為0.500mm的導(dǎo)線，絕對誤差為o01mm前者的相對誤差ql：o1，后者的相對誤差1yz2，前者測量比后者準(zhǔn)確 絕對誤差只可以判別一個測量結(jié)果的準(zhǔn)確度比較兩個測量結(jié)果準(zhǔn)確度則必須用相對誤差 在相同條件下要提高測量的準(zhǔn)確度，應(yīng)減小相對誤差，例如，用停表測量擺的振動周期，應(yīng)累計測量幾十次振動的時間，再除以振動的次數(shù) 選擇測量工具應(yīng)著眼于相對誤差，如測量短跑跑道長度，用最小刻度為cm的皮帶尺即可