淺談利用兩種打點計時器探究勻變速直線運動

1、淺談利用兩種打點計時器探究勻變速直線運動摘要：本文主要在理解兩種打點計時器工作原理的 前提下規(guī)范操作來探究勻變速直線運動，并掌握在實際問題 中如何計算做勻變速直線運動物體的速度和加速度。關(guān)鍵詞：計時器勻變速直線運動速度加速度物理新課標將實驗探究列入了課程目標、內(nèi)容標準和實 施建議之中，物理實驗在教學中得到了更多的重視和加強， 學生的探究能力、操作技能都有了新提高。近幾年的高考理 綜卷更加重視對物理實驗原理、器材、步驟的考查，本文淺 析了利用兩種打點計時器來探究勻變速直線運動，以此來體 現(xiàn)高考對考生實驗探究能力、創(chuàng)新能力和遷移能力的考查。一、實驗器材電磁打點計時器和電火花計時器、學生電源、紙帶、

2、一 端附有定滑輪的長木板、小車、刻度尺、坐標紙、鉤碼、細 線、導(dǎo)線等。二、實驗原理1. 兩種打點計時器(1) 電磁打點計時器 構(gòu)造(如下圖)： 工作原理：電磁打點計時器是一種使用低壓交流電源 的計時儀器，工作電壓在6v以下。通電以前，把紙帶穿過 限位孔，再把套在軸上的復(fù)寫紙壓在紙帶的上面。接通電源 時，在線圈和永久磁鐵的作用下，振片便振動起來，位于振 片一端的振針就跟著上下振動，其振動周期與線圈中的電流 變化的周期一致。當電源的頻率是50hz時，它每隔0.02s 打一個點。如果紙帶運動，振針就通過復(fù)寫紙在紙帶上留下 了 一行小點。(2) 電火花計時器 構(gòu)造(如下圖)： 工作原理：電火花計時器是

3、利用火花放電在紙帶上打 出小孔而顯示出點跡的計時儀器。使用時，墨粉紙盤套在紙 盤軸上，并夾在兩條白紙帶之間。當接通220v的交流電源、 按下脈沖輸出開關(guān)時，計時器發(fā)出的脈沖電流經(jīng)接正極的放 電針、墨粉紙盤到接負極的紙盤軸，產(chǎn)生火花放電，于是在 運動的紙帶1上就打出了 一系列小點。(3) 兩種計時器的比較(如下表):2. 探究勻變速直線運動(1)逐差法:如圖，把連續(xù)的數(shù)據(jù)(必須是偶數(shù)個)“xl, x2, x3, x4xn”從中間對半分成兩組，每組有m=個數(shù)據(jù)，前一 半為 xl, x2, x3, x4xm,后一半為 xm+1, xm+2, xm+3,xm+4xn,將后一半的第一個數(shù)據(jù)減去前一半的第

4、一個數(shù)據(jù) 得vxl二xm+1-xl,后一半的第二個數(shù)據(jù)減去前一半的第二個 數(shù)據(jù)得vx2=xm+2-x2,以此類推，vxm=xn-xmo則由這些差值 求得的加速度分別為：al= , a2= , am二。這些加速度的 平均值為：不難看出，所有數(shù)據(jù)xl, x2, x3, x4xn都用到了, 因而減小了偶然誤差。若利用推論vx二at2來計算加速度, 則只利用了所有數(shù)據(jù)xl, x2, x3, x4xn中的連續(xù)兩段, 因而實驗誤差較大。(2)圖像法：由數(shù)據(jù)xl, x2, x3, x4xn,計時器打點周期為t,由公式vn=求出相應(yīng)的速度vl, v2, v3, v4vn的值，然后描點作出v-t圖像，得到傾斜直

5、線的斜率即為物體運動的加 速度。三、實驗步驟1 把一端附有定滑輪的長木板固定在桌面上，并使滑輪伸出桌面，把打點計時器固定在長木板上，將打點計時器與 學生電源相連，如下圖所示。2用一條細繩拴在小車上，細繩跨過滑輪，并在細繩的 另一端掛上合適的鉤碼，放手后小車能在長木板上平穩(wěn)地加 速滑行一段距離。把紙帶穿過打點計時器，并把它的一端固 定在小車的后面。3把小車停在靠近打點計時器處，先接通電源，再放開 小車，讓小車帶動紙帶運動，打點計時器就會在紙帶上打下 一系列的點。關(guān)閉電源，取下紙帶，換上新紙帶，重復(fù)實驗 多次。4.從幾條紙帶中選擇一條比較理想的紙帶，舍掉開始一 些比較密集的點，在后面便于測量的地方

6、找一個開始點，以 后依次每五個點取一個計數(shù)點，并標明a、b、c、d如圖所示，用刻度尺測出a到0、b到0、c到0之間的距離, 再通過計算求出0到a、a到b、b到c之間的距離xl、 x2、x3四、注意事項1長木板應(yīng)當穩(wěn)固傾斜，打點計時器應(yīng)平行固定在長木 板上。2.長木板傾斜的角度應(yīng)使紙帶上打出足夠多的清晰點。3先接通電源，再釋放紙帶。4測量紙帶等時段位移時，應(yīng)用長尺一次測完。5選取計數(shù)點時，應(yīng)舍掉開頭部分密集的點和末端部分 位移間隔已經(jīng)減小的點，僅選取位移間隔均勻增加的中間部 分。6.作速度時間圖像要選擇合適標度，使圖分布在坐標紙 的大部分區(qū)域。連線時應(yīng)使盡量多的點在一條直線上，不在 直線上的點應(yīng)

7、盡量落在圖線兩側(cè)。五、高考題重現(xiàn)例如：(06年重慶理綜)某同學用如圖所示(圖略)裝 置測量重力加速度g,所用交流電頻率為50hzo在所選紙帶 上取某點為0號計數(shù)點，然后每3個點取一個計數(shù)點，所有 測量數(shù)據(jù)及其標記符號如下圖所示。該同學用兩種方法處理 數(shù)據(jù)(t為相鄰兩計數(shù)點的時間間隔)：方法 a：由 gl= (s2-s1) /t2, g2= (s3-s2) /t2, -g5= (s6-s5) /t2,取平均值 g=8. 667m/s2o方法 b：由 gl= (s4-s1) /3t2, g2= (s5-s2) /3t2, g3= (s6-s3) /3t2,取平均值 g=8. 673m/s2o從數(shù)據(jù)

8、處理方法看，在si、s2、s3、s4、s5、s6中， 對實驗結(jié)果起作用的，方法a中有；方法b中有o因此，選擇方法 (a或b)更合理，這樣可 以減少實驗的(系統(tǒng)或偶然)誤差。本實驗誤差的主要來源有 (試舉出兩條)?！窘馕觥咳粲梅椒╝處理數(shù)據(jù)，則=o顯然，對實驗結(jié)果起作用的只有si和s6。若用方法b處理數(shù)據(jù)，則：g=這樣，全部數(shù)據(jù)對實驗結(jié)果都起作用，可以減少數(shù)據(jù)測 量帶來的偶然誤差。因此，選擇方法b更合理。本實驗誤差 主要來源于各種阻力、交流電頻率波動等系統(tǒng)誤差，長度測 量等偶然誤差以及數(shù)據(jù)處理方法不當?shù)取Ｔ偃纾海?2年山東理綜）某同學利用圖甲所示的實驗裝 置，探究物塊在水平桌面上的運動規(guī)律。物塊在重物的牽引 下開始運動，重物落地后，物塊再運動一段距離停在桌面上 （尚未到達滑輪處）。從紙帶上便于測量的點開始，每5個 點取1個計數(shù)點，相鄰計數(shù)點間的距離如圖乙所示。打點計 時器電源的頻率為50hzo1通過分析紙帶數(shù)據(jù)，可判斷物塊在相鄰計數(shù)點和之間某時刻開始減速。2. 計數(shù)點5對應(yīng)的速度大小為m/s,計數(shù)點6對應(yīng)的速度大小為m/s （保留三位有效數(shù)字）。3. 物塊減速運動過程中加速度的大小為a=m/s2o若用來計算物塊與桌面