第1章 第4節(jié)　測量直線運(yùn)動(dòng)物體的瞬時(shí)速度-高中物理 必修第1冊(cè)(配粵教版)

第四節(jié)測量直線運(yùn)動(dòng)物體的瞬時(shí)速度核心素養(yǎng)·明目標(biāo)：1．物理觀念：知道打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、數(shù)字計(jì)時(shí)器，并會(huì)使用．2．科學(xué)思維：掌握三種計(jì)時(shí)器的使用方法，能用它們測量瞬時(shí)速度，能解決相關(guān)實(shí)際問題．3．科學(xué)探究：學(xué)會(huì)探究測量瞬時(shí)速度的方法，通過與他人交流合作，提高實(shí)驗(yàn)探究能力．4．科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過利用三種計(jì)時(shí)器對(duì)瞬時(shí)速度的測量，實(shí)事求是，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣．知識(shí)點(diǎn)一打點(diǎn)計(jì)時(shí)器及其使用1．打點(diǎn)計(jì)時(shí)器：一種通過在紙帶上打出一系列的點(diǎn)來記錄物體運(yùn)動(dòng)信息的儀器．2．分類：電火花計(jì)時(shí)器和電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器．3．電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(1)工作電壓：220V交流電源．(2)原理：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)的紙帶上就打出一系列點(diǎn)跡．4．電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(1)工作電壓：4～6V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(dòng)起來，帶動(dòng)其上的振針上下振動(dòng)．這時(shí)如果紙帶運(yùn)動(dòng)，振針就通過復(fù)寫紙?jiān)诩垘狭粝乱幌盗行↑c(diǎn)．5．打點(diǎn)間隔：當(dāng)電源頻率是50Hz時(shí)，紙帶上每打出兩個(gè)相鄰點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間都是0.02s．打點(diǎn)計(jì)時(shí)器不能長時(shí)間連續(xù)工作，紙帶通過后應(yīng)立即關(guān)閉開關(guān)．(1)電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的工作電壓都是220V的交變電壓． (×)(2)使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(電源頻率為50Hz)打出的紙帶相鄰兩個(gè)點(diǎn)的時(shí)間間隔為0.02s． (√)(3)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上準(zhǔn)確記錄了運(yùn)動(dòng)物體的位移和時(shí)間． (√)知識(shí)點(diǎn)二數(shù)字計(jì)時(shí)器1．計(jì)時(shí)裝置的組成：由數(shù)字計(jì)時(shí)器和光電門組成的計(jì)時(shí)測量裝置，如圖所示．2．光電門：由發(fā)光裝置(紅外發(fā)光二極管)和光線接收裝置(光敏元件)構(gòu)成．光敏元件接收由發(fā)光裝置發(fā)出的光線，通常處于被照亮的狀態(tài)．3．計(jì)時(shí)器：有兩個(gè)輸入插口與光電門相連．4．計(jì)時(shí)原理：當(dāng)寬度一定的物體通過光電門時(shí)，光線被擋，光敏元件處于暗狀態(tài)，向數(shù)字計(jì)時(shí)器發(fā)出脈沖信號(hào)，觸發(fā)數(shù)字計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，遮光結(jié)束(物體通過)停止計(jì)時(shí)，這樣就記錄下物體遮擋一個(gè)光電門光線的短暫時(shí)間．?dāng)?shù)字計(jì)時(shí)器還可以記錄物體經(jīng)過兩個(gè)光電門之間的時(shí)間，即任一光電門第一次遮光時(shí)開始計(jì)時(shí)，第二次遮光時(shí)停止計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)器顯示的是兩次遮光之間的時(shí)間(物體先后通過兩個(gè)光電門之間的時(shí)間)．?dāng)?shù)字計(jì)時(shí)器能測量出小到1ms或0.1ms的時(shí)間間隔，計(jì)時(shí)更精確靈敏．考點(diǎn)1打點(diǎn)計(jì)時(shí)器及其使用電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器是應(yīng)用電磁鐵的原理，讓振針周期性的振動(dòng)，通過復(fù)寫紙?jiān)诩垘洗蛳曼c(diǎn)跡，來記錄物體運(yùn)動(dòng)情況．請(qǐng)?zhí)骄浚?1)電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器各使用什么電源？(2)如果電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打的點(diǎn)不清晰，總結(jié)是什么原因？提示：(1)電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器用4～6V交流電源，電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器用220V交流電源．(2)打點(diǎn)不清晰可能是電壓太低，調(diào)高電壓就可以．[歸納例證]1．實(shí)驗(yàn)步驟(1)了解電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的結(jié)構(gòu)，然后把它固定在桌子上，紙帶穿過限位孔，把紙帶放在墨粉紙盤的下面．(2)把計(jì)時(shí)器接到220V的交流電源上．(3)接通電源，用手水平地拉動(dòng)紙帶，紙帶上就打出一行小點(diǎn)，隨后立即關(guān)閉電源．(4)取下紙帶，從能看得清的某個(gè)點(diǎn)數(shù)起，數(shù)一數(shù)紙帶上共有多少個(gè)點(diǎn)．如果共有n個(gè)點(diǎn)，則用Δt＝0.02×(n－1)s計(jì)算出紙帶的運(yùn)動(dòng)時(shí)間Δt．(5)用刻度尺測量出第一個(gè)點(diǎn)到第n個(gè)點(diǎn)的距離，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量之前，自己設(shè)計(jì)一個(gè)表格，用來記錄以上測量值．2．注意事項(xiàng)(1)使用電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，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(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，應(yīng)讓紙帶穿過限位孔，壓在復(fù)寫紙下面．(2)使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，應(yīng)使物體停在靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的位置．(3)使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)時(shí)，應(yīng)先接通電源，待打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)穩(wěn)定之后，再拉動(dòng)紙帶，打點(diǎn)之后應(yīng)立即關(guān)閉電源．(4)對(duì)紙帶進(jìn)行測量時(shí)，不要分段測量各段的位移，正確的做法是一次測量完畢(可統(tǒng)一測量出各個(gè)測量點(diǎn)到起始測量點(diǎn)O之間的距離)．(5)區(qū)別計(jì)時(shí)點(diǎn)和計(jì)數(shù)點(diǎn)①計(jì)時(shí)點(diǎn)是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出來的點(diǎn)．②計(jì)數(shù)點(diǎn)是從計(jì)時(shí)點(diǎn)中選出來的具有代表性的點(diǎn)，一般相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間還有若干個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)．計(jì)數(shù)點(diǎn)一般不是從第一計(jì)時(shí)點(diǎn)開始的，而是選擇點(diǎn)跡清晰、與相鄰的計(jì)時(shí)點(diǎn)間距適中的點(diǎn)開始．(6)區(qū)別打點(diǎn)周期和計(jì)數(shù)周期①打點(diǎn)周期：兩個(gè)相鄰的計(jì)時(shí)點(diǎn)的時(shí)間間隔，即交流電源的周期，一般為0.02s．②計(jì)數(shù)周期：兩個(gè)相鄰的計(jì)數(shù)點(diǎn)的時(shí)間間隔，若相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間還有(n－1)個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)，則計(jì)數(shù)周期為T＝0.02ns．【典例1】(1)電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器是一種利用______電源的計(jì)時(shí)儀器，它的工作電壓是______V，當(dāng)電源頻率是50Hz時(shí)，它每隔________s打一次點(diǎn)．(2)使用電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，紙帶應(yīng)穿過________，復(fù)寫紙應(yīng)套在________上，并要放在紙帶的________面；應(yīng)把________電源用導(dǎo)線接在__________上；打點(diǎn)時(shí)應(yīng)先__________，再讓紙帶運(yùn)動(dòng)．(3)(多選)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上的點(diǎn)跡，直接記錄了()A．物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間B．物體在不同時(shí)刻的位置C．物體在不同時(shí)間內(nèi)的位移D．物體在不同時(shí)刻的速度思路點(diǎn)撥：電磁打點(diǎn)計(jì)器用低壓交流電源，每0.02s打下一個(gè)點(diǎn)，紙帶上直接記錄的信息是時(shí)間和位置．[解析](1)電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器是一種利用交流電源的計(jì)時(shí)儀器，工作電壓為6V，工作頻率為50Hz，周期為0.02s．(3)電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器都是每隔0.02s在紙帶上打一次點(diǎn)，因此打在紙帶上的點(diǎn)跡可直接反映物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，故A正確；因?yàn)榧垘Ц\(yùn)動(dòng)物體連在一起，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定，所以紙帶上的點(diǎn)跡就相應(yīng)地記錄了物體在不同時(shí)刻的位置，故B正確；用刻度尺量出各點(diǎn)跡間的間隔，可知道物體在不同時(shí)間內(nèi)的位移，再根據(jù)速度公式可算出物體在某段時(shí)間內(nèi)的速度，但這些量不是紙帶上的點(diǎn)跡直接記錄的，故C、D錯(cuò)誤．[答案](1)交流60.02(2)限位孔定位軸上低壓交流接線柱接通電源(3)AB由紙帶記錄的信息(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器是一種計(jì)時(shí)儀器，它有具體的工作電壓，從打出的紙帶上可以直接獲得物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間及不同時(shí)刻的位置信息．(2)電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器雖然所用電源電壓不同，但如果工作電壓的頻率為50Hz，則打點(diǎn)周期均為T＝0.02s．上題第(2)問中一條打出的紙帶如圖所示，如果每5個(gè)點(diǎn)下面計(jì)一個(gè)數(shù)，這些標(biāo)數(shù)字的點(diǎn)稱為計(jì)數(shù)點(diǎn)．則兩個(gè)相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔為多大？[解析]由圖中得出相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間還有4個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)，故t＝5T＝5×0.02s＝0.1s．[答案]0.1seq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])1．(多選)關(guān)于打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的使用，下列說法正確的是()A．先接通電源，后釋放紙帶B．電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用的是220V交流電源C．使用的電源頻率越高，打點(diǎn)的時(shí)間間隔就越長D．先釋放紙帶或先接通電源都可以AB[為了增加紙帶的使用率，應(yīng)先接通電源，后釋放紙帶，A正確，D錯(cuò)誤；電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用的是220V交流電源，故B正確；因?yàn)門＝eq\f(1,f)，所以使用的電源頻率越高，打點(diǎn)的時(shí)間間隔就越短，C錯(cuò)誤．]考點(diǎn)2數(shù)字計(jì)時(shí)器光電計(jì)時(shí)器是一種常用計(jì)時(shí)儀器，其結(jié)構(gòu)如圖所示，a、b分別是光電門激光的發(fā)射和接收裝置，當(dāng)一輛帶有擋光片的小車從a、b間通過時(shí)，光電計(jì)時(shí)器就可以顯示擋光片的擋光時(shí)間．請(qǐng)?zhí)骄浚?如何計(jì)算小車通過光電門的瞬時(shí)速度大?。?若擋光片寬d＝1.20cm，計(jì)時(shí)器顯示擋光時(shí)間是2×10－2s，則小車通過光電門時(shí)的速度大??？提示：1用平均速度代替瞬時(shí)速度.2由速度公式得v＝eq\f(d,t)＝eq\f(1.2×10－2,2×10－2)m/s＝0.6m/s.[歸納例證]使用數(shù)字計(jì)時(shí)器應(yīng)該注意的問題(1)實(shí)驗(yàn)前應(yīng)先調(diào)整發(fā)光器件和光敏元件的相對(duì)位置，因?yàn)槿绻邲]有對(duì)準(zhǔn)，則不能計(jì)時(shí)．(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求正確選擇數(shù)字計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)功能．【典例2】如圖所示用光電計(jì)時(shí)器研究物體的直線運(yùn)動(dòng)．1和2是固定在斜面上適當(dāng)位置的兩個(gè)光電門，讓滑塊從斜面的頂端滑下，光電門1、2各自連接的光電計(jì)時(shí)器顯示的擋光時(shí)間分別為5.00×10－2s、2.00×10－2s．則：(1)能否由此確定滑塊由光電門1運(yùn)動(dòng)到光電門2的時(shí)間？(2)滑塊通過光電門1時(shí)和通過光電門2時(shí)相比較，通過哪個(gè)位置時(shí)更快一些？思路點(diǎn)撥：根據(jù)平均速度大小來確定物體運(yùn)動(dòng)的快慢．[解析](1)光電計(jì)時(shí)器顯示的擋光時(shí)間為滑塊各自通過光電門1、光電門2的時(shí)間，不能由此確定滑塊由光電門1運(yùn)動(dòng)到光電門2的時(shí)間．(2)滑塊寬度一定，滑塊通過光電門時(shí)擋光時(shí)間越短，滑塊運(yùn)動(dòng)得越快．[答案](1)不能．(2)通過光電門2時(shí)更快些．eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])2．關(guān)于數(shù)字計(jì)時(shí)器的說法正確的是()A．?dāng)?shù)字計(jì)時(shí)器只能記錄物體通過一個(gè)光電門的時(shí)間B．?dāng)?shù)字計(jì)時(shí)器能記錄物體通過一個(gè)光電門的位移C．?dāng)?shù)字計(jì)時(shí)器能記錄物體先后兩次經(jīng)過光電門之間的時(shí)間D．?dāng)?shù)字計(jì)時(shí)器不能記錄物體先后兩次經(jīng)過光電門之間的時(shí)間C[數(shù)字計(jì)時(shí)器既可記錄物體通過一個(gè)光電門的時(shí)間，也可記錄物體先后兩次經(jīng)過光電門之間的時(shí)間，但不能記錄物體經(jīng)過一個(gè)光電門的位移，故選項(xiàng)C正確．]1．(多選)對(duì)電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的有關(guān)說法中，正確的是()A．電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器都是使用交流電B．兩種打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)頻率與交流電源的頻率一樣C．電火花計(jì)時(shí)器在紙帶上打點(diǎn)是靠振針和復(fù)寫紙D．電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打點(diǎn)是靠電火花和墨粉AB[電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用6V的交流電，電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用220V的交流電，A正確；兩種打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)頻率都由交流電源的頻率決定，B正確；電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打點(diǎn)是靠電火花和墨粉，C錯(cuò)誤；電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打點(diǎn)是靠振針和復(fù)寫紙，D錯(cuò)誤．]2．打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用的電源是50Hz的交流電，其相鄰點(diǎn)間的時(shí)間間隔是T，若紙帶上共打出N個(gè)點(diǎn)，這條紙帶上記錄的時(shí)間為t，則下列各式正確的是()A．T＝0.1s，t＝NTB．T＝0.05s，t＝(N－1)TC．T＝0.02s，t＝(N－1)TD．T＝0.02s，t＝NTC[電源頻率f＝50Hz，則相鄰點(diǎn)間的時(shí)間間隔T＝eq\f(1,f)＝eq\f(1,50)s＝0.02s，紙帶上共打出N個(gè)點(diǎn)，則有(N－1)個(gè)時(shí)間間隔，即t＝(N－1)T，故C正確．]3．下列選項(xiàng)中是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的四條紙帶，其中表示物體做勻速直線運(yùn)動(dòng)的是()B[勻速直線運(yùn)動(dòng)中，相等位移所用的時(shí)間相等．打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的點(diǎn)與點(diǎn)之間的時(shí)間都相同，只要點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離相等，就可判斷物體做勻速直線運(yùn)動(dòng)，故B正確．]4．用鐵架臺(tái)將長木板傾斜支在水平桌面上，組成如圖甲所示裝置，研究木塊沿斜面下滑的速度變化．所提供的儀器有長木板、木塊、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(含紙帶)、學(xué)生電源、米尺、鐵架臺(tái)及導(dǎo)線、開關(guān)等，圖乙是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的一條紙帶，紙帶旁還給出了最小刻度為1mm的刻度尺，刻度尺的零刻度線與O點(diǎn)對(duì)齊，A、B、C、D為四個(gè)相鄰的計(jì)數(shù)點(diǎn)，相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有四個(gè)點(diǎn)未標(biāo)出，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用交流電源的頻率是50Hz．(1)計(jì)數(shù)點(diǎn)A到O點(diǎn)的距離是________mm．(2)根據(jù)紙帶可看出木塊下滑的速度v的變化情況是________．圖甲圖乙[解析](1)因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)刻度尺最小刻度為1mm，根據(jù)讀數(shù)原則應(yīng)估讀到0.1mm，所以A到O點(diǎn)的距離是105.0mm．(2)由題中數(shù)據(jù)知相同時(shí)間內(nèi)木塊的位移逐漸變大，所以速度變大．[答案](1)105.0(2)變大5．(新情境題，以“電子眼”為背景，考查速度的測量)某高架道路上有段區(qū)域限速80km/h．為了監(jiān)控車輛是否超速，設(shè)置了一些“電子警察”系統(tǒng)，其工作原理如圖所示：路面下相隔L埋設(shè)兩個(gè)傳感器線圈A和B，當(dāng)有車輛經(jīng)過線圈正上方時(shí)，傳感器能向數(shù)據(jù)采集器發(fā)出一個(gè)電信號(hào)；若有一輛汽車(在本題中可看成質(zhì)點(diǎn))勻速經(jīng)過該路段，兩傳感器先后向數(shù)據(jù)采集器發(fā)送信號(hào)，時(shí)間間隔為Δt；經(jīng)微型計(jì)算機(jī)處理后得出該車的速度，若超速，則計(jì)算機(jī)將開啟架設(shè)在路面上方的照相機(jī)C對(duì)汽車拍照，留下違章證據(jù)．根據(jù)以上信息，回答下列問題：(1)微型計(jì)算機(jī)計(jì)算汽車速度的表達(dá)式v＝________．(2)若L＝7m，Δt＝0.3s