2021-2022学年教科版（2019）必修第一册 1.4实验 用打点计时器测量小车的速度 课件（35张PPT）

(共35张PPT)
4.实验:用打点计时器测量小车的速度
实验必备?自主学习
一、实验目的
1.学会用___________测量纸带的平均速度和瞬时速度。
2.能利用v
-t图像分析实验数据,描述物体的运动。
二、实验器材
电磁打点计时器(或电火花打点计时器)、学生电源、复写纸、导线、_______、
纸带、坐标纸。
打点计时器
刻度尺
【思考·讨论】
　电磁打点计时器与电火花计时器使用的电源相同吗?
提示:不同。
三、实验原理与设计
1.实验的基本思想——极限思想(微元法)。
2.实验原理:
(1)速度的计算:根据纸带计算平均速度:根据v=___可求出任意两点间的平均速
度。
(2)位移的测量:Δx是纸带上两点间的距离,利用_______测量。
(3)时间的测量:Δt是这两点间的_________。在Δt足够小时,我们可以认为其平
均速度近似看作某点的_________。
刻度尺
时间间隔
瞬时速度
实验过程?探究学习
【实验步骤】
1.把打点计时器固定在桌子上。
2.安装纸带。
3.把打点计时器的两个接线柱接到_____电源上(电源频率为50
Hz,电磁打点计时
器接_____V低压_____电源;电火花打点计时器接____V_____电源)。
4.启动电源,用手水平拉动纸带,纸带上就打出一行小点,随后立即关闭电源。
5.取纸带上能够看清的某一点为起始点0,后面每5个点取一个计数点,分别用1,2,
3…标出这些计数点,则两相邻计数点之间的时间间隔Δt=____
s。
6.用刻度尺测量出各计数点到起始点的距离。
7.计算两相邻计数点间的位移Δx。
交变
4～6
220
0.1
交变
交变
【思考·讨论】
　在实验中,测量数据时要注意的事项有哪些?
提示:①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,即统一测量出各个计数点到起始点0之间的距离。
②为减小实验误差,1,2,3,4…不一定是连续的计数点,可以每5个点(中间隔4个点)取一个计数点,此时两计数点的时间间隔T=0.1
s。
【数据收集与分析】
1.计算纸带的平均速度:从打第1个点到打第n个点,纸带的运动时间为Δt=
0.02(n-1)s,纸带的位移为Δx,纸带的平均速度v=
。把测量和计算的结
果填入表中。
记录项
实验次数
点数
n
点划分出
的间隔数
n-1
运动时
间Δt/s
位移
Δx/m
平均速度
v/m·s-1
1
2
2.用打点计时器测量瞬时速度:
(1)选取一条点迹清晰便于分析的纸带。
(2)从能够看清的某个点开始,每隔四个点取一个计数点,每两个计数点间的时间间隔T=5×0.02
s=0.1
s。
在纸带上用O、A、B、C、D…标出这些“计数点”,如图所示。
用刻度尺依次测出OA、OB、OC、OD…的距离是s1、s2、s3、s4…,再利用x1=s1、x2=s2-s1、x3=s3-s2、x4=
s4-s3…确定出OA、AB、BC、CD…之间的距离x1、x2、x3、x4…
(3)A、B、C、D…各点的瞬时速度分别为
3.
用v
-t图像描述物体的速度:
(1)以速度v为纵轴,时间t为横轴建立直角坐标系。
(2)根据不同时刻的瞬时速度值,在坐标系中描点。
(3)用平滑曲线把这些点连接起来,即得到v
-t图像。
【思考·讨论】
　在描点画速度—时间图像时需要注意的问题?
提示:(1)所描点的瞬时速度等于中间时刻的瞬时速度。
(2)选定计时起点,并确定各点所对应的时刻及速度大小。
(3)要求将所描的点用平滑的曲线连起来。
【误差分析】
1.实验原理不完善造成系统误差:利用平均速度来代替计数点的瞬时速度,由于位移Δx的选取会带来系统误差。
2.测量、操作不够准确造成偶然误差:
(1)在进行位移Δx的测量时,分段测量计数点间的位移Δx会带来偶然误差。
(2)在作图时,由于坐标单位选取使得描点和连线存在偶然误差。
【思考·讨论】
　(1)如何减小由于位移Δx的选取而带来的系统误差?
提示:可以选择以计数点为中心的较小位移Δx来求平均速度。
(2)如何减小由于位移的测量而带来的偶然误差?
提示:①减小测量误差的方法是一次测量完成,即一次测出各计数点到起始计数点0的距离,再分别计算出各计数点间的位移。
②减小坐标单位选取的误差,是应选取合适的坐标单位,利用坐标纸作图。
实验研析?创新学习
　类型一　教材原型实验
角度1
实验原理和实验操作
【典例1】(1)打点计时器是记录做直线运动物体的________和________的仪器。电火花打点计
时器是其中的一种,其工作电压是________,电火花打点计时器靠电火花和墨粉打点,当交变电源
的频率为50
Hz时,它每隔________
s打一次点。?
(2)以下是练习使用电火花打点计时器的部分实验步骤,其中错误的操作是________。?
A.把打点计时器固定在桌子上,把墨粉纸套在纸盘轴上,让纸带穿过限位孔
B.把打点计时器与4～6
V低压交变电源相连
C.用手水平地拉动纸带,然后启动电源
D.取下纸带,用刻度尺测量最后一个点与计时起点的距离x0,用公式v=
计算纸带运动的平均速
度
【解析】(1)打点计时器是记录运动物体时间和位移的仪器,均使用交变电源,电火花打点计时器的工作电压是220
V,当交变电源频率为50
Hz时,它每隔
0.02
s打一次点。
(2)电火花打点计时器使用220
V交变电源,故B错误;实验时应先启动电源,再拉动纸带,故C错误。
答案:(1)时间　位移　220
V　0.02
(2)B、C
【实验改进】利用光电门测速度如图所示,当滑块在导轨上运动时,光电计时器
记录了遮光条通过光电门的时间,而遮光条的宽度Δx已知,且非常小。由于滑块
通过光电门的时间Δt非常短,在这段时间内滑块的运动可以近似看作匀速直线
运动,所以可认为遮光条通过光电门时的瞬时速度等于其通过光电门的平均速
度,即v=
。
角度2
实验数据处理
【典例2】对如图打出的一条纸带进行研究,从O点开始每5个点取一个计数点(中间4个点未画出),计数点分别为A、B、C、D、E,图中给出了相关数据,回答下列问题。
(1)图中每相邻的两个计数点之间的时间是__
s。?
(2)B点的瞬时速度是__________m/s。(保留两位小数)?
【解析】(1)每相邻的两个计数点之间的时间T=5×0.02
s=0.10
s。
(2)B点的瞬时速度vB=
≈0.25
m/s。
答案:(1)0.10　(2)0.25
　类型二　创新型实验
【典例3】用气垫导轨和数字计时器能更精确地测量物体的瞬时速度。如图所示,滑块在牵引力作用下先后通过两个光电门,配套的数字毫秒计记录了遮光条通过第一个光电门的时间为Δt1=0.29
s,通过第二个光电门的时间为Δt2=
0.11
s,已知遮光条的宽度为3.0
cm,则滑块通过第一个光电门的速度为________
m/s,通过第二个光电门的速度为________
m/s。(结果均保留两位有效数字)?
【解析】由于滑块经过光电门时遮光条的挡光时间较短,所以滑块经过光电门的
速度可用遮光条挡光时间内的
平均速度表示。经过第一个光电门的速度v1=
m/s≈0.10
m/s,经过第
二个光电门的速度v2=
m/s≈0.27
m/s。
答案:0.10　0.27
【创新评价】
创新角度
创新方案
时间测量的创新
利用数字计时器测量时间更加准确、方便
实验器材的创新
利用气垫导轨和滑块,能有效提高速度的测量值
【创新探究】
　(1)如何测量滑块经过光电门的瞬时速度?
提示:由于滑块通过光电门的时间Δt非常短,在这段时间内滑块的运动可以近似看作匀速直线运动,所以可认为遮光条通过光电门时的瞬时速度等于其通过光电门的平均速度,即v=
。
(2)怎样提高实验的准确性?
提示:换用宽度更窄一些的遮光条。
课堂检测·素养达标
1.在“用打点计时器测纸带的速度”的实验中,若打点周期为0.02
s,下列说法正确的是
(　　)
A.启动电源与拉动纸带可以同时进行
B.先拉动纸带,后启动电源
C.电火花打点计时器使用6
V以下的交变电源
D.连续n个计时点间的时间间隔为(n-1)×0.02
s
【解析】选D。使用打点计时器打点时,应先启动电源,待打点计时器打点稳定后,再拉动纸带,A、B错误;电火花打点计时器使用220
V的交变电源,C错误;每相邻的两个计时点间的时间间隔为0.02
s,连续n个计时点间有(n-1)个时间间隔,故时间间隔为(n-1)×0.02
s,D正确。
2.关于电磁打点计时器的使用,下列说法不正确的是
(　　)
A.打点计时器使用低压交流电源,交流电频率为50
Hz
B.纸带必须穿过限位孔,并注意把纸带压在复写纸的上面
C.要先通电,后释放纸带,纸带通过后立即切断电源
D.为减小摩擦,每次测量应先将纸带拉直
【解析】选B。电磁打点计时器使用低压交流电源,交流电频率为50
Hz,选项A正确;纸带必须穿过限位孔,并注意把纸带压在复写纸的下面,选项B错误;要先通电,后释放纸带,纸带通过后立即切断电源,选项C正确;为减小摩擦,每次测量应先将纸带拉直,选项D正确。
【加固训练】
　　电磁打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器。当电源的频率是50
Hz时,它每隔0.02
s
打一次点。如图所示为某次实验打出的一条纸带,其中1、2、3、4为依次选定的计数点,相邻两个计数点的时间间隔为________s,根据图中标出的数据,计算打点计时器打计数点2的速度v2的大小为______
m/s。?
【解析】打点计时器的打点周期为0.02
s,相邻计数点之间有5个时间间隔,因此
计数点之间的时间间隔T=0.1
s。计数点2的瞬时速度可以用计数点1、3间的平
均速度求出,因此有v2=
m/s
=1.23
m/s。
答案:0.1　1.23
3.在“用打点计时器测速度”的实验中,打点计时器使用的交变电源的频率为50
Hz,记录小车运动的纸带如图所示,在纸带上选择0、1、2、3、4、5共六个计数点,相邻两计数点之间还有四个计时点未画出,纸带旁并排放着最小分度为1
mm的刻度尺,0刻度跟“0”计数点对齐,读出1、3、5三个计数点到0计数点的距离并填入表格中。
计算小车通过计数点“2”的瞬时速度为v2=______
m/s。
距离
x1
x3
x5
测量值/cm
?【解析】由题图可知x1=1.20
cm,x3=5.40
cm,x5=12.00
cm。每两个相邻计数点
间的时间间隔T=0.02×5
s=0.10
s,v2=
m/s=0.21
m/s。
答案:1.20　5.40　12.00　0.21
4.(2020·海口高一检测)某高架道路上有段区域限速80
km/h。为了监控车辆是否超速,设置了一些“电子警察”系统,其工作原理如图所示:路面下相隔L埋设两个传感器线圈A和B,当有车辆经过线圈正上方时,传感器能向数据采集器发出一个电信号;若有一辆汽车(在本题中可看成质点)匀速经过该路段,两传感器先后向数据采集器发送信号,时间间隔为Δt;经微型计算机处理后得出该车的速度,若超速,则计算机将开启架设在路面上方的照相机C对汽车拍照,留下违章证据。
根据以上信息,回答下列问题:
(1)微型计算机计算汽车速度的表达式v=________。?
(2)若L=7
m,Δt=0.3
s,则照相机将______工作。(选填“会”或“不会”)?
【解析】(1)微型计算机计算汽车速度时是用短时间内的平均速度代替瞬时速度,
所以汽车速度的表达式为v=
。
(2)根据v=
得:v=
=84
km/h>80
km/h,超速,故照相机会工作。
答案:(1)
　(2)会
5.如图所示是打点计时器打出的一条纸带,电源频率为50
Hz,0、1、2、3、4、5、6是七个计数点,每相邻两个计数点之间还有四个计时点未画出,各计数点到0的距离如图所示。
(1)求出2、4计数点的瞬时速度并填入表格。
瞬时速度
v1
v2
v3
v4
v5
数值/m·s-1
0.20
0.61
0.70
(2)根据表格中的数据在如图坐标系中作出速度—时间图像。
【解析】(1)两计数点间的时间间隔是T=0.1
s
v2=
m/s=0.40
m/s
v4=
m/s=0.69
m/s
(2)根据表格中数据在直角坐标系中描点,然后连线,得到图像如图所示:
答案:(1)0.40　0.69　(2)见解析图
6.如图所示是用“位移传感器”测小车速度的示意图,这个系统由在同一直线上且等高的A、B两个小盒组成,A盒装有红外线和超声波发射器,B盒装有红外线和超声波接收器。A盒被固定在向右运动的小车上,B盒固定在桌面上,测量时A向B同时发射一个红外线脉冲和一个超声波脉冲(即持续时间很短的一束红外线和一束超声波),B盒接收到红外线脉冲时开始计时,接收到超声波脉冲时停止计时,若两者的时间差为t1,空气中声速为v0,红外线在A与B之间的传播时间可忽略。问:(x1、x2、Δx未知)
(1)发射红外线脉冲和超声波脉冲时A与B之间的距离为________。?
(2)经过短暂的Δt时间后,进行第二次测量,此次接收两者的时间差为t2,已知小车在远离B,则小车运动的速度大小为________。?
【解析】(1)由于红外线在A与B之间传播的时间可忽略,根据匀速直线运动规律
得A、B间的距离为x1=v0t1。
(2)同理可知:进行第二次测量时,A、B间的距离为x2=v0t2,两次发射超声波脉冲
的时间间隔为Δt,即为小车运动Δx=x2-x1所用的时间,根据速度的定义式可知
小车运动的速度大小为v=
。
答案:(1)v0t1　(2)