2021-2022高中物理第一章運動的描述第4節(jié)實驗：用打點計時器測速度1教案新人教版必修1202203152103

PAGEPAGE7實驗：用打點計時器測速度[目標(biāo)定位]1.了解兩種計時器的結(jié)構(gòu)和工作原理，并學(xué)會安裝和使用.2.掌握測瞬時速度的方法，會用打出的紙帶求瞬時速度.3.會用圖象表示速度隨時間變化的規(guī)律．一、了解打點計時器1．作用及分類打點計時器是一種使用交流電源的計時儀器，當(dāng)電源頻率為50Hz時，它每隔0.02_s打一次點，打點計時器和紙帶配合，可以記錄物體運動的時間及在一段時間內(nèi)的位移，供高中學(xué)生實驗用的計時器有電磁打點計時器和電火花計時器兩種．2．電磁打點計時器(1)工作電壓：6_V以下的交流電源；(2)原理：接通交流電源后，在線圈和永久磁鐵的作用下，振片便振動起來，帶動其上的振針上下振動．這時，如果紙帶運動，振針就通過復(fù)寫紙在紙帶上留下一行小點．3．電火花計時器(1)工作電壓：220_V交流電源；(2)原理：當(dāng)接通電源、按下脈沖輸出開關(guān)時，計時器發(fā)出的靜脈電流經(jīng)放電針、墨粉紙盤到紙盤軸，產(chǎn)生火花放電，于是在運動的紙帶上打出一行點跡．4．兩種計時器誤差比較電火花計時器使用中運動阻力極小，因而系統(tǒng)誤差較?。胍幌耄河嫊r器打點時，計時器和紙帶之間的摩擦?xí)ξ矬w的運動造成影響，用哪種打點計時器做實驗時，實驗誤差更小呢？答案因為電火花打點計時器是靠電火花和墨粉來打點的，所以對紙帶的運動帶來的阻力很小，使系統(tǒng)誤差更?。?、用打點計時器測量平均速度根據(jù)v＝eq\f(Δx,Δt)可求出任意兩點間的平均速度，其中Δx是紙帶上兩點間的距離，Δt是這兩點間的時間間隔．想一想：如果紙帶上的點跡分布不均勻，點跡密集的地方表示運動的速度較大還是較小？答案較小三、用打點計時器測量瞬時速度紙帶上某一位置的瞬時速度，可以粗略地由包含這一位置在內(nèi)的一小段位移Δx內(nèi)的平均速度表示，即根據(jù)v＝eq\f(Δx,Δt)，當(dāng)Δt或Δx較小時，用這個平均速度代表紙帶經(jīng)過該位置的瞬時速度．如圖141所示，E點的瞬時速度可用D、F兩點間的平均速度代表，即vE＝eq\f(Δx,Δt).圖141想一想：在上圖中，用DF段和DG段求出的平均速度，哪一個更接近E點的瞬時速度？答案因為當(dāng)Δt或Δx較小時，求得的平均速度更接近某點的瞬時速度，所以DF段求出的平均速度更接近E點的瞬時速度．四、用圖象表示速度速度時間圖象(vt圖象)：用來描述速度隨時間變化關(guān)系的圖象，圖象上的點反映某一時刻的瞬時速度．想一想：利用圖象處理實驗數(shù)據(jù)的好處是什么？答案用圖象法處理數(shù)據(jù)更直觀、更具體、更方便．五、實驗器材：電火花打點計時器(或電磁打點計時器)、220V交流電源(電磁打點計時器使用學(xué)生電源)、刻度尺、紙帶、墨粉紙盤(復(fù)寫紙)、導(dǎo)線、坐標(biāo)紙一、實驗步驟1．了解電火花計時器的結(jié)構(gòu)，然后把它固定在桌子上，紙帶穿過限位孔，把紙帶放到墨粉紙盤的下面．2．把計時器接到220V的交流電源上．3．接通電源，用手水平地拉動紙帶，紙帶上就打出一行小點，隨后立即關(guān)閉電源．4．取下紙帶，從能看得清的某個點數(shù)起，數(shù)一數(shù)紙帶上共有多少個點．如果共有n個點，則用Δt＝0.02×(n－1)s計算出紙帶的運動時間Δt.5．用刻度尺測量一下打下這些點紙帶通過的距離Δx，利用v＝eq\f(Δx,Δt)計算紙帶在這段時間內(nèi)的平均速度．把測量和計算的結(jié)果填入表中．二、數(shù)據(jù)處理1．利用打點計時器測量瞬時速度(1)取一條點跡清晰的紙帶便于分析測量．(2)從紙帶上能看得清的某個點作為起始點O，以后的點分別標(biāo)上A、B、C、D、…，如圖142所示，測出各點到O點的距離，算出OA、AB、BC、……的距離x1、x2、x3、…….圖142打點計時器打點的周期為T.(3)A、B、C、D、……各點的瞬時速度分別為vA＝eq\f(x1＋x2,2T)、vB＝eq\f(x2＋x3,2T)、vC＝eq\f(x3＋x4,2T)、vD＝eq\f(x4＋x5,2T)、…….把數(shù)據(jù)填入下表，根據(jù)數(shù)據(jù)判斷紙帶是否做勻速運動.圖1432．圖象法表示速度(1)用橫軸表示時間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，然后用平滑的曲線把這些點連接起來，即得到如圖143所示的vt圖象．(2)vt圖象的意義vt圖象非常直觀地反映了速度隨時間變化的情況，但它并不是物體運動的軌跡．三、注意事項1．使用電火花打點計時器時，應(yīng)注意把紙帶正確穿好，墨粉紙盤位于紙帶上方，使用電磁打點計時器時，應(yīng)讓紙帶穿過限位孔，壓在復(fù)寫紙下面．2．使用打點計時器時，應(yīng)使物體停在靠近打點計時器的位置．3．使用打點計時器打點時，應(yīng)先接通電源，待打點計時器打點穩(wěn)定之后，再拉動紙帶；打點之后應(yīng)立即關(guān)閉電源．4．對紙帶進(jìn)行測量時，不要分段測量各段的位移，正確的做法是一次測量完畢(可先統(tǒng)一測量出各個測量點到起始測量點O之間的距離)．5．區(qū)別計時點和計數(shù)點：計時點是打點計時器在紙帶上打出來的點；計數(shù)點是從計時點中選出來的具有代表性的點，一般相鄰兩個計數(shù)點之間還有若干個計時點．計數(shù)點一般不是從第一計時點開始的，而是選擇點跡清晰、與相鄰的計時點間距適中的點開始．6．區(qū)別打點周期和計時周期：打點周期：兩個相鄰的計時點的時間間隔，即交流電源的周期，一般為0.02s；計數(shù)周期：兩個相鄰的計數(shù)點的時間間隔，若相鄰兩個計數(shù)點之間還有(n－1)個計時點，則計數(shù)周期為T＝0.02ns.例1(2013～2014桂林高一期中)用打點計時器可測紙帶運動的時間和位移．下面是沒有按操作順序?qū)懙牟煌暾膶嶒灢襟E，按照你對實驗的理解，在各步驟空白處填上適當(dāng)?shù)膬?nèi)容，然后按實際操作的合理步驟，將各步驟的字母代號順序?qū)懺诳瞻滋帲瓵．在電磁打點計時器的兩接線柱上分別接上導(dǎo)線，導(dǎo)線的另一端分別接在低壓________(填“交流”或“直流”)電源的兩個接線柱上．B．把電磁打點計時器固定在桌子上，讓紙帶穿過________(填“插孔”或“限位孔”)，并壓在________(填“白紙”或“復(fù)寫紙”)下面．C．用刻度尺測量從計時開始點到最后一個點間的距離Δx.D．切斷電源，取下紙帶，如果共有6清晰的點，則這段紙帶記錄的時間Δt＝________.E．打開電源開關(guān)，再用手水平地拉動紙帶，紙帶上打下一系列小點．F．利用公式v＝eq\f(Δx,Δt)計算紙帶運動的平均速度．實驗步驟的合理順序是________．解析打點計時器使用交流電；把電磁打點計時器固定在桌子上，讓紙帶穿過限位孔，并壓在復(fù)寫紙下面；若打6個點，則有(6－1)個時間間隔，故這段紙帶記錄的時間Δt＝0.02×(6－1)s＝0.1s；實驗步驟的排列一般要先安裝器材然后進(jìn)行實驗的思路進(jìn)行，故實驗步驟的合理順序是：BAEDCF.答案交流限位孔復(fù)寫紙0.1sBAEDCF例2(2013～2014海南文昌高一段考)某同學(xué)在“用打點計時器測速度”的實驗中，用打點計時器記錄了被小車拖動的紙帶的運動情況，在紙帶上確定出A、B、C、D、E、F、G共7個計數(shù)點．其相鄰點間的距離如圖144所示，每兩個相鄰的測量點之間的時間間隔為0.10s．(本題計算結(jié)果均保留3位有效數(shù)字)圖144(1)在實驗中，使用打點計時器操作步驟應(yīng)先________再________(選填“釋放紙帶”或“接通電源”)．(2)每兩個計數(shù)點間還有________個點沒有標(biāo)出．(3)試根據(jù)紙帶上各個計數(shù)點間的距離，每隔0.10s測一次速度，計算出打下B、C、D三個點時小車的瞬時速度，并將各個速度值填入下表．(4)將B、C、D、E、F各個時刻的瞬時速度標(biāo)在圖145直角坐標(biāo)系中，并畫出小車的瞬時速度隨時間變化的關(guān)系圖線．圖145解析(1)在實驗中，使用打點計時器操作步驟應(yīng)先接通電源，再釋放紙帶；(2)每兩個計數(shù)點間還有n＝eq\f(Δt,ΔT)－1＝eq\f(0.1,0.02)－1＝4個點沒有標(biāo)出．(3)vB＝eq\f(（3.62＋4.38）×10－2,2×0.1)m/s＝0.400m/s；vC＝eq\f(（5.20＋4.38）×10－2,2×0.1)m/s＝0.479m/s；vD＝eq\f(（5.20＋5.99）×10－2,2×0.1)m/s＝0.599m/s.(4)圖線如下：答案(1)接通電源釋放紙帶(2)4(3)0.4000．4790.559(4)見解析例3如圖146所示是某質(zhì)點做直線運動的vt圖象，試回答：圖146(1)AB、BC、CD段質(zhì)點分別做什么運動？(2)質(zhì)點在5s末的速度多大？解析