2019-2020學(xué)年高一上學(xué)期人教版物理必修一講義：第一章第4節(jié)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)速度要點(diǎn)梳理

1、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)速度【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1 .知道電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、電火花計(jì)時(shí)器的構(gòu)造及工作原理2 .學(xué)會(huì)使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器3 .會(huì)用打出的紙帶求加速度、瞬時(shí)速度4 .能通過紙帶上點(diǎn)的位置關(guān)系分析物體運(yùn)動(dòng)【要點(diǎn)梳理】要點(diǎn)一、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與電火花計(jì)時(shí)器的構(gòu)造和工作原理要點(diǎn)詮釋：1 .電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器及電火花計(jì)時(shí)器的構(gòu)造電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器及電火花計(jì)時(shí)器的構(gòu)造分別如圖甲、乙所示.2 .電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的原理電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器是利用電磁原理打點(diǎn)計(jì)時(shí)的一種儀器，它的工作原理可以用圖甲、乙 來說明.當(dāng)線圈中通入的交流電為正半周時(shí)，設(shè)電流方向如圖甲所示，則線圈中被磁化的鋼制簧片左端為N極，永久磁鐵使簧片受到一個(gè)向下的力；當(dāng)交流電轉(zhuǎn)為負(fù)

2、半周時(shí)，電流方向如圖乙所示，簧片左端變?yōu)镾極，永久磁鐵使簧片受到一個(gè)向上的力.隨著交變電流方向的周期性變化，簧片周期性地受到向下、向上的力就振動(dòng)起來. 位于簧片一端的振針隨簧片的振動(dòng)而在復(fù)寫紙上打點(diǎn).如果在復(fù)寫紙下有運(yùn)動(dòng)的紙帶，振針就在紙帶上打出了一系列的 點(diǎn).交流電源的頻率為 50Hz時(shí)，它每隔0.02s打一個(gè)點(diǎn)，即打出的紙帶上每相鄰兩點(diǎn)間的 時(shí)間間隔是0.02s .乙3 .電火花計(jì)時(shí)器的工作原理電火花計(jì)時(shí)器的原理與電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí) 紙帶問題分析器相同， 不過在紙帶上打點(diǎn)的不是振針和復(fù)寫紙， 而是電火花和墨粉， 它是利用火花放電在紙帶上打出小孔而顯示點(diǎn)跡的計(jì)時(shí)儀器 使用時(shí)， 墨粉紙盤套在紙盤軸上

3、， 把紙帶穿過限位孔當(dāng)接通電源、按下脈沖輸出開關(guān)時(shí)， 計(jì)時(shí)器發(fā)出的脈沖電流經(jīng)放電針、 墨粉紙盤到紙盤軸，產(chǎn)生火花放電，于是在運(yùn)動(dòng)的紙帶上就打出一行點(diǎn)跡當(dāng)電源頻率是50Hz 時(shí)，也是每隔 0.02s 打一次點(diǎn) 4. 電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與電火花計(jì)時(shí)器的比較兩種計(jì)時(shí)器使用的都是交流電源；當(dāng)電源的頻率為 50Hz時(shí)，都是每隔0.02s打一個(gè)點(diǎn) 電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用46V交流電，電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作電壓是220V交流電.無論是使用電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器還是使用電火花計(jì)時(shí)器， 打出的紙帶上的點(diǎn)， 都記錄了紙帶運(yùn)動(dòng)的時(shí)間 如果紙帶是跟物體連接在一起的， 紙帶上的點(diǎn)就相應(yīng)地表示出了運(yùn)動(dòng)物體在不同時(shí)刻的位置， 研究點(diǎn)之間的距

4、離， 就可以了解在不同時(shí)間里物體發(fā)生的位移、 速度的大 小和變化情況電火花計(jì)時(shí)器工作時(shí)紙帶運(yùn)動(dòng)受到的阻力比較小，實(shí)驗(yàn)誤差較小.5. 使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的注意事項(xiàng)會(huì)安裝復(fù)寫紙，并且會(huì)調(diào)節(jié)復(fù)寫紙的位置，將紙帶從復(fù)寫紙下穿過.將計(jì)時(shí)器接入50Hz 交流電源，從交流4V 開始，觀察振片振動(dòng)情況，若振片振幅較小，再升高電壓至6V；對(duì)電火花計(jì)時(shí)器， 應(yīng)將墨粉紙盤套在紙盤軸上， 兩條紙帶要對(duì)齊穿過限位孔， 墨粉紙盤夾在 中間，使用 220V 交流電源開啟打點(diǎn)計(jì)時(shí)器， 待12s再拖動(dòng)紙帶打出點(diǎn)，觀察點(diǎn)跡是否清晰，打完紙帶后，立即關(guān)閉電源在紙帶上打不出點(diǎn)或點(diǎn)跡顏色過淡情況下， 糾正時(shí)大致從以下方面注意： 電源電壓較

5、低情況下，可適當(dāng)提高 （ 對(duì)電火花計(jì)時(shí)器這種情況較少） ；調(diào)整復(fù)寫紙位置或更換復(fù)寫紙（ 或墨粉紙盤 ） ；調(diào)整打點(diǎn)計(jì)時(shí)器調(diào)整打點(diǎn)計(jì)時(shí)器 如果打不出點(diǎn)， 首先要檢查壓紙框的位置是否升高， 阻礙了振片上的振針打不到紙帶上，若是，可將壓紙框向下壓， 恢復(fù)到原來的位置 這種情況一般是由于操作不當(dāng)引起的 另外也可能是振片沒有工作， 在共振情況下， 此時(shí)可松動(dòng)固定振片的螺絲，適當(dāng)調(diào)節(jié)振片位置， 緊固后觀察振幅， 若達(dá)到或接近共振狀態(tài)即可正常工作 如果振片振動(dòng)較大仍打不出點(diǎn)，可調(diào)整振針的位置，直到打出點(diǎn)為止 若振針向下調(diào)節(jié)過長，則打點(diǎn)的聲音過大，且易出現(xiàn)雙點(diǎn)，調(diào)節(jié)時(shí)要仔細(xì)如果將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器錯(cuò)接在學(xué)生電源的直流

6、電源上 （ 非穩(wěn)壓電源） ， 也能在紙帶上打出點(diǎn)跡，這是因?yàn)橹绷鬏敵鰡蜗蛎}沖電流，頻率為 100Hz,會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理時(shí)錯(cuò)誤.使用電火花計(jì)時(shí)器時(shí)，若用一條紙帶要將紙帶壓在墨粉紙盤下，打完一條紙帶后要將墨粉紙盤轉(zhuǎn)一角度再打另一紙帶， 否則會(huì)只用紙盤的某一位置， 打出的點(diǎn)跡顏色較淡； 若使用雙紙帶， 將墨粉紙盤夾在中間， 拖動(dòng)時(shí)由于兩條紙帶的摩擦作用， 墨粉紙盤會(huì)隨紙帶轉(zhuǎn)動(dòng)， 電火花將墨粉紙盤上不同位置的墨粉蒸發(fā)到紙帶上， 點(diǎn)跡顏色較重， 而上面的紙帶沒有點(diǎn)跡， 可重復(fù)使用， 但用兩條紙帶時(shí)摩擦阻力較大不管用哪種方法， 打完紙帶后都應(yīng)立即關(guān)閉電源要點(diǎn)二、實(shí)驗(yàn)原理和步驟、注意事項(xiàng) 要點(diǎn)詮釋：1. 實(shí)驗(yàn)

7、目的進(jìn)一步練習(xí)打點(diǎn)計(jì)器的使用、紙帶數(shù)據(jù)處理和測(cè)量瞬時(shí)速度的方法.利用打點(diǎn)紙帶研究小車的運(yùn)動(dòng)情況，分析小車的速度隨時(shí)間變化的規(guī)律.2 .實(shí)驗(yàn)器材附有滑輪的長木板、小車、帶小鉤的細(xì)線、鉤碼若干、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、刻度尺、導(dǎo) 線、交流電源.3 .實(shí)驗(yàn)原理把紙帶跟運(yùn)動(dòng)物體連接在一起，并穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，這樣紙帶上的點(diǎn)不但記錄了物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，而且相應(yīng)地表示運(yùn)動(dòng)物體在不同時(shí)刻的位置，研究這些點(diǎn)的情況，就可以了解物體的運(yùn)動(dòng)情況.4 .實(shí)驗(yàn)步驟把附有滑輪的長木板放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，并使滑輪伸出桌面，把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在長木板上沒有滑輪的一端，連接好電路，如圖所示.制動(dòng)裝置 小車紙帶按電源把一條細(xì)繩拴在小車上，使細(xì)繩跨

8、過滑輪， 下面掛上合適的鉤碼.放手后，看小車能否在木板上平衡地加速滑行， 然后把紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，并把紙帶的一端固定在車的后面.使小車停在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器處，先接通電源，后釋放小車，讓小車拖著紙帶運(yùn)動(dòng)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器就在紙帶上打下一列小點(diǎn)，再按同樣的方法(不改變鉤碼個(gè)數(shù))打出兩條紙帶.從這三條紙帶中選用一條最清晰的，記錄為紙帶I .增加一個(gè)鉤碼，按上述方法打出紙帶n.在打紙帶I時(shí)的基礎(chǔ)上減少一個(gè)鉤碼，仍按上述方法打出紙帶出.整理器材.5 .注意事項(xiàng)(1) 平行：紙帶和細(xì)繩要和木板平行.(2) 一先一后：實(shí)驗(yàn)中應(yīng)先接通電源，后讓小車運(yùn)動(dòng)；實(shí)驗(yàn)后應(yīng)先斷開電源后取紙帶.(3) 防止碰撞：在到達(dá)長木板末端前應(yīng)

9、讓小車停止運(yùn)動(dòng)，要防止鉤碼落地和小車與滑輪相撞.(4) 減小誤差：小車的加速度宜適當(dāng)大些，可以減小長度的測(cè)量誤差，加速度大小以能在25 50 cm的紙帶上清楚地取出 67個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)為宜.(5) 弄清間隔：要區(qū)別計(jì)時(shí)器打出的點(diǎn)與人為選取的計(jì)數(shù)點(diǎn)，一般在紙帶上每隔四個(gè)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，即時(shí)間間隔為T= 0.02 X5s=0.1s .(6) 仔細(xì)描點(diǎn)：描點(diǎn)時(shí)最好用坐標(biāo)紙，在縱、橫軸上選取合適的單位.用細(xì)鉛筆認(rèn)真描 與 八、要點(diǎn)三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理要點(diǎn)詮釋：1.紙帶上點(diǎn)的意義表示和紙帶相連的物體在不同時(shí)刻的位置.通過研究紙帶上各點(diǎn)之間的間隔，可以判斷物體的運(yùn)動(dòng)情況.可以利用紙帶上打出的點(diǎn)來確定計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間

10、間隔.2.紙帶的選取從三條紙帶上選擇一條比較理想的紙帶，舍掉開頭一些比較密集的點(diǎn)，在后邊便于測(cè)量的地方找一個(gè)開始點(diǎn)來確定計(jì)數(shù)點(diǎn).為計(jì)算方便和減小誤差，通常用連續(xù)打五個(gè)點(diǎn)的時(shí)間作為時(shí)間間隔，即T= 0.1s . 3.采集數(shù)據(jù)的方法如圖所示，不直接測(cè)量兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離，而是要先量出各個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)到計(jì)時(shí)零點(diǎn)的 距離XI、X2、X3、X4然后再計(jì)算出相鄰的兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)的距離.l_ X1= X1 , |_x2= x2 -X1 , |_ x3= x3 x2 , l_X4= x4 - x5 , |_ X5= X5 X4 0 12345M .蒞 j A/ A&Ax50 x,飛/陽/4cm4.根據(jù)紙帶分析物

11、體的運(yùn)動(dòng)情況并計(jì)算速度(1)根據(jù)紙帶分析物體的運(yùn)動(dòng)情況并計(jì)算平均速度在紙帶上相鄰兩點(diǎn)的時(shí)間間隔均為0.02s(電源頻率為50Hz),所以點(diǎn)跡密集的地方表示紙帶運(yùn)動(dòng)的速度小.根據(jù)v=絲，求出任意兩點(diǎn)間的平均速度，這里x可以用直尺測(cè)量出兩點(diǎn)間的距離，. t x為兩點(diǎn)間的時(shí)間間隔數(shù)與 0.02s的乘積.這里必須明確所求的是哪兩點(diǎn)之間的平均速度. (2)粗略計(jì)算瞬時(shí)速度某點(diǎn)E的瞬時(shí)速度可以粗略地由包含E點(diǎn)在內(nèi)的兩點(diǎn)間的平均速度來表示，如圖所示，VF = VDG 或 VE =VDF .e西丁8一, 弓、，1A , “，一 一、, 一一：X ，一一 ，一、一，一【說明】在粗略計(jì)算 E點(diǎn)的瞬時(shí)速度時(shí)，可利用

12、 v = 一 公式來求解，但需注意的是，t如果取離E點(diǎn)越接近的兩點(diǎn)來求平均速度，這個(gè)平均速度越接近 E點(diǎn)的瞬時(shí)速度，但是距離過小會(huì)使測(cè)量誤差增大，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選取這兩個(gè)點(diǎn).各計(jì)數(shù)點(diǎn)的瞬時(shí)速度用平均速度來代替，即V1 =普蓍2，V2 =,.(At為相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔 )將各計(jì)數(shù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻及瞬時(shí)速度填入下表中:計(jì)數(shù)點(diǎn)位置編號(hào)n0123456時(shí)間t/s00.10.20.30.40.50.6相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離s/m對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)點(diǎn)的速度 v/(m - sT)5.由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到 v-t圖象如何由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出 v-t圖象有了原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如何更好地確定運(yùn)動(dòng)規(guī)律呢？最好的方法是作 v-t圖象，具體

13、的運(yùn)動(dòng)規(guī)律便能直接顯現(xiàn).根據(jù)表格中的v、t數(shù)據(jù)，在直角坐標(biāo)系中仔細(xì)描點(diǎn).作一條直線，使同一次實(shí)驗(yàn)得到 的各點(diǎn)盡量落到這條直線上，落不到直線上的各點(diǎn)， 應(yīng)均勻分布在直線的兩側(cè)，這條直線就是本次實(shí)驗(yàn)的v-t圖象，它是一條傾斜的直線，如圖所示.* s")如何由實(shí)驗(yàn)得出的 V-t圖象進(jìn)一步得出小車運(yùn)動(dòng)的速度隨時(shí)間變化的規(guī)律可以從兩條途徑進(jìn)行：一是通過直接分析圖象（如圖所示）的特點(diǎn)得到.小車運(yùn)動(dòng)的 V-t圖象是一條傾斜的直線， 那么當(dāng)時(shí)間增加相同的值 t ,速度也會(huì)增加相同的值 V.也就可 得出結(jié)論：小車的速度隨時(shí)間均勻增加（或變化）.* s-，）二是通過圖象寫出函數(shù)關(guān)系式進(jìn)一步得到結(jié)論，既然

14、小車的v-t圖象是一條傾斜的直線，那么v隨t變化的函數(shù)關(guān)系式為 v=kt+b，顯然v與t成“線性關(guān)系”小車的速度隨時(shí) 間均勻增加（或變化）.6.由紙帶求加速度的方法由圖所示的紙帶各計(jì)數(shù)點(diǎn)1、2、3、4、5所對(duì)應(yīng)的速度分別是v1、v2、v3、v4、v5- T為計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔.al =v2 -Vl，a2，a3 =v4 -V3求加速度的平均值-ai a 2aa 二n(V2 Vi) (V3 V2)<Vn 1 -Vn)nTVn 1 - ViTn從結(jié)果看，真正參與運(yùn)算的只有V1和Vn+l,中間各點(diǎn)的瞬時(shí)速度在運(yùn)算中都未起作用.方法二：逐差法求 乂 - ；：Xiai =3T2ai a2 a33_

15、Ax5 - Ax2_ Ax6 - Ax3a2 n) a3 n，八23T23 3T2(漢4 , X5 %)-( Xix2x3)9T2“方法二”比這樣可使各點(diǎn)的瞬時(shí)速度都參與了運(yùn)算，可減小誤差.比較兩種方法, “方法一”好，一般不用方法一.方法三：由圖象求加速度由多組數(shù)據(jù)描繪出 V-t圖象，V-t圖象的直線斜率即為物體運(yùn)動(dòng)的加速度.三種方法中，最準(zhǔn)確，科學(xué)的是方法三，不過較繁一點(diǎn).要點(diǎn)四、一些利用現(xiàn)代技術(shù)測(cè)速度的方法除用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)速度外，還可用以下的方法進(jìn)行測(cè)量：（1） 借助傳感器用計(jì)算機(jī)測(cè)速度如圖所示是一種運(yùn)動(dòng)傳感器的原理圖，這個(gè)系統(tǒng)由A、B兩個(gè)小盒子組成.將紅外線、超聲波發(fā)射器 A盒固定在小

16、車上，接收傳感器B盒固定在某一位置并調(diào)整其高度與傳感器A等高.小車上A盒發(fā)射器對(duì)著接收器 B,并處在同一直線上.將接收傳感器B探測(cè)到的紅外線、超聲波到達(dá)的時(shí)間差等數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，利用專門軟件可以分析小車的位移與時(shí)間的關(guān)系.將這些位移和對(duì)應(yīng)的時(shí)間差再利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，就可以分析小車的速度隨時(shí)間的變化.根據(jù)小車的兩個(gè)位置變化可求得x,兩位置的時(shí)間差為 t,則小車速度v = 9x.tA1運(yùn)動(dòng)方向：二彳.久 一 】 匚一一X, （2） 利用光電門測(cè)瞬時(shí)速度實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，使一輛小車從一端墊高的木板上滑下，木板旁裝有光電門，其中A管發(fā)出光線，B管接收光線.當(dāng)固定在車上的遮光板通過光電門時(shí)，光線被阻擋，記錄儀上 可以直接讀出光線被阻擋的時(shí)間.這段時(shí)問就是遮光板通過光電門的時(shí)間.根據(jù)遮光板的寬度X和測(cè)出的時(shí)間 t ,就可以算出遮光板通過光電門的平均速度'V = i.由于遮光板%的寬度 x很小，因此可以認(rèn)為，這個(gè)平均速度就是小車通過光電門的瞬時(shí)速度.(3)利用頻閃照相分析計(jì)算物體的速度頻閃照相法是一種利用照相技術(shù)，每間隔一定時(shí)間曝光， 從而形成間隔相同時(shí)間的影像的方法.在頻閃照相中會(huì)用到頻閃燈，它每隔相等時(shí)間閃光一次，例如每隔