【创新设计】2014-2015学年高一物理人教版必修一教案：1.4 实验：用打点计时器测速度 Word版含解析

1.4实验：用打点计时器测速度
[目标定位] 1.了解两种计时器的结构和工作原理，并学会安装和使用.2.掌握测瞬时速度的方法，会用打出的纸带求瞬时速度.3.会用图象表示速度随时间变化的规律．
一、了解打点计时器
1．作用及分类
打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器，当电源频率为50 Hz时，它每隔0.02_s打一次点，打点计时器和纸带配合，可以记录物体运动的时间及在一段时间内的位移，供高中学生实验用的计时器有电磁打点计时器和电火花计时器两种．
2．电磁打点计时器
(1)工作电压：6_V以下的交流电源；
(2)原理：接通交流电源后，在线圈和永久磁铁的作用下，振片便振动起来，带动其上的振针上下振动．这时，如果纸带运动，振针就通过复写纸在纸带上留下一行小点．
3．电火花计时器
(1)工作电压：220_V交流电源；
(2)原理：当接通电源、按下脉冲输出开关时，计时器发出的静脉电流经放电针、墨粉纸盘到纸盘轴，产生火花放电，于是在运动的纸带上打出一行点迹．4．两种计时器误差比较
电火花计时器使用中运动阻力极小，因而系统误差较小．
想一想：
计时器打点时，计时器和纸带之间的摩擦会对物体的运动造成影响，用哪种打点计时器做实验时，实验误差更小呢？
答案因为电火花打点计时器是靠电火花和墨粉来打点的，所以对纸带的运动带来的阻力很小，使系统误差更小．
二、用打点计时器测量平均速度
根据v＝Δx
Δt
可求出任意两点间的平均速度，其中Δx是纸带上两点间的距
离，Δt是这两点间的时间间隔．
想一想：
如果纸带上的点迹分布不均匀，点迹密集的地方表示运动的速度较大还是较小？
答案较小
三、用打点计时器测量瞬时速度
纸带上某一位置的瞬时速度，可以粗略地由包含这一位置在内的一小段位
移Δx内的平均速度表示，即根据v＝Δx
Δt
，当Δt或Δx较小时，用这个平均速
度代表纸带经过该位置的瞬时速度．
如图141所示，E点的瞬时速度可用D、F两点间的平均速度代表，即v E
＝Δx Δt .
图141
想一想：
在上图中，用DF 段和DG 段求出的平均速度，哪一个更接近E 点的瞬时速度？
答案 因为当Δt 或Δx 较小时，求得的平均速度更接近某点的瞬时速度，所以DF 段求出的平均速度更接近E 点的瞬时速度．
四、用图象表示速度
速度时间图象(v t 图象)：用来描述速度随时间变化关系的图象，图象上的点反映某一时刻的瞬时速度．
想一想：
利用图象处理实验数据的好处是什么？
答案 用图象法处理数据更直观、更具体、更方便．
五、实验器材：
电火花打点计时器(或电磁打点计时器)、220 V 交流电源(电磁打点计时器使用学生电源)、刻度尺、纸带、墨粉纸盘(复写纸)、导线、坐标纸
一、实验步骤
1．了解电火花计时器的结构，然后把它固定在桌子上，纸带穿过限位孔，把纸带放到墨粉纸盘的下面．
2．把计时器接到220 V 的交流电源上．
3．接通电源，用手水平地拉动纸带，纸带上就打出一行小点，随后立即关闭电源．
4．取下纸带，从能看得清的某个点数起，数一数纸带上共有多少个点．如果共有n 个点，则用Δt ＝0.02×(n －1) s 计算出纸带的运动时间Δt .
5．用刻度尺测量一下打下这些点纸带通过的距离Δx ，利用v ＝
Δx Δt
计算纸带在这段时间内的平均速度．把测量和计算的结果填入表中．
二、数据处理
1．利用打点计时器测量瞬时速度
(1)取一条点迹清晰的纸带便于分析测量．
(2)从纸带上能看得清的某个点作为起始点O，以后的点分别标上A、B、C、
D、…，如图142所示，测出各点到O点的距离，算出OA、AB、BC、……的距离x1、x2、x3、…….
图142
打点计时器打点的周期为T.
(3)A、B、C、D、……各点的瞬时速度分别为v A＝x1＋x2 2T、
v B＝x2＋x3
2T、v C＝
x3＋x4
2T、v D＝
x4＋x5
2T、…….
把数据填入下表，根据数据判断纸带是否做匀速运动.
图143
2．图象法表示速度
(1)用横轴表示时间t，纵轴表示速度v，建立直角坐标系．根据测量的数据在坐标系中描点，然后用平滑的曲线把这些点连接起来，即得到如图143所示的v t图象．
(2)v t图象的意义
v t图象非常直观地反映了速度随时间变化的情况，但它并不是物体运动的轨迹．
三、注意事项
1．使用电火花打点计时器时，应注意把纸带正确穿好，墨粉纸盘位于纸带上方，使用电磁打点计时器时，应让纸带穿过限位孔，压在复写纸下面．2．使用打点计时器时，应使物体停在靠近打点计时器的位置．
3．使用打点计时器打点时，应先接通电源，待打点计时器打点稳定之后，再拉动纸带；打点之后应立即关闭电源．
4．对纸带进行测量时，不要分段测量各段的位移，正确的做法是一次测量完毕(可先统一测量出各个测量点到起始测量点O之间的距离)．
5．区别计时点和计数点：
计时点是打点计时器在纸带上打出来的点；
计数点是从计时点中选出来的具有代表性的点，一般相邻两个计数点之间还有若干个计时点．计数点一般不是从第一计时点开始的，而是选择点迹清晰、与相邻的计时点间距适中的点开始．
6．区别打点周期和计时周期：
打点周期：两个相邻的计时点的时间间隔，即交流电源的周期，一般为0.02 s；
计数周期：两个相邻的计数点的时间间隔，若相邻两个计数点之间还有(n－1)个计时点，则计数周期为T＝0.02n s.
例1(2013～2014桂林高一期中)用打点计时器可测纸带运动的时间和位移．下面是没有按操作顺序写的不完整的实验步骤，按照你对实验的理解，在各步骤空白处填上适当的内容，然后按实际操作的合理步骤，将各步骤的字母代号顺序写在空白处．
A．在电磁打点计时器的两接线柱上分别接上导线，导线的另一端分别接在低压________(填“交流”或“直流”)电源的两个接线柱上．
B．把电磁打点计时器固定在桌子上，让纸带穿过________(填“插孔”或“限位孔”)，并压在________(填“白纸”或“复写纸”)下面．
C．用刻度尺测量从计时开始点到最后一个点间的距离Δx.
D．切断电源，取下纸带，如果共有6清晰的点，则这段纸带记录的时间Δt＝________.
E．打开电源开关，再用手水平地拉动纸带，纸带上打下一系列小点．
F．利用公式v＝Δx
Δt
计算纸带运动的平均速度．
实验步骤的合理顺序是________．
解析打点计时器使用交流电；把电磁打点计时器固定在桌子上，让纸带穿过限位孔，并压在复写纸下面；若打6个点，则有(6－1)个时间间隔，故这段纸带记录的时间Δt＝0.02×(6－1)s＝0.1 s；实验步骤的排列一般要先安装器材然后进行实验的思路进行，故实验步骤的合理顺序是：BAEDCF.
答案交流限位孔复写纸0.1 s BAEDCF
例2(2013～2014海南文昌高一段考)某同学在“用打点计时器测速度”的实验中，用打点计时器记录了被小车拖动的纸带的运动情况，在纸带上确定出
A 、
B 、
C 、
D 、
E 、
F 、
G 共7个计数点．其相邻点间的距离如图144所示，每两个相邻的测量点之间的时间间隔为0.10 s ．(本题计算结果均保留3位有效数字)
图144
(1) 在实验中，使用打点计时器操作步骤应先________再________(选填“释放纸带”或“接通电源”)．
(2) 每两个计数点间还有________个点没有标出．
(3) 试根据纸带上各个计数点间的距离，每隔0.10 s 测一次速度，计算出打下B 、C 、D 三个点时小车的瞬时速度，并将各个速度值填入下表．
(4)将B 、C 、D 、E 、F 各个时刻的瞬时速度标在图145直角坐标系中，并画
出小车的瞬时速度随时间变化的关系图线．
图145
解析 (1) 在实验中，使用打点计时器操作步骤应先接通电源，再释放纸带；
(2) 每两个计数点间还有n ＝Δt ΔT
－1＝0.10.02－1＝4个点没有标出． (3)v B ＝（3.62＋4.38）×10－2
2×0.1
m/s ＝0.400 m/s ； v C ＝（5.20＋4.38）×10－2
2×0.1
m/s ＝0.479 m/s ； v D ＝（5.20＋5.99）×10－2
2×0.1
m/s ＝0.599 m/s. (4)图线如下：
答案(1)接通电源释放纸带(2)4(3)0.400
0．4790.559(4)见解析
例3如图146所示是某质点做直线运动的v t图象，试回答：
(1)AB、BC、CD段质点分别做什么运动？
(2)质点在5 s末的速度多大？
解析(1)根据题中v t图象可知在AB段速度随时间不断增加，所以AB段表示质点做加速运动；在BC段速度不随时间而变化，所以BC段表示质点做匀速运动；在CD段速度随时间不断减少，所以CD段表示质点做减速运动．
(2)质点在5 s末的速度由题中v t图象可知是15 m/s.
答案(1)AB段表示质点做加速运动；BC段表示质点做匀速运动；CD段表
示质点做减速运动．(2)15 m/s。