第一章第4节实验：用打点计时器测速度课时学案

第4节 实验：用打点计时器测速度
1.掌握打点计时器的原理及其使用方法。
2.掌握对纸带上记录的原始数据进行处理的能力。
3.能测定平均速度，画出图像，通过图像来分析物体的运动情况。
电磁打点计时器是一种使用交流电源的 ( http: / / www.21cnjy.com ) 仪器，它的工作电压是 V，电源频率是50 Hz，它每隔 s打一次点。电火花计时器是利用火花放电在纸带上打出点而显示出点迹的计时仪器，使用220 V交流电压，当电源频率为50 Hz时，它每隔 s打一次点。如果运动物体带动纸带通过打点计时器，在纸带上打下的点就记录了物体运动的时间，纸带上的点迹也相应地表示出了运动物体在不同时刻的位置，研究纸带上点迹之间的间隔，就可以了解在不同时间里，物体发生的位移和速度的大小及其变化，从而了解物体的运动情况。
1.(多选)关于打点计时器打出的纸带，下列叙述中正确的是( )
A.点迹均匀，说明纸带做匀速运动
B.点迹变稀，说明纸带做加速运动
C.点迹变密，说明纸带做加速运动
D.相邻两点间的时间间隔相等
2.(单选)使用打点计时器时( )
A.应先接通电源，再使纸带运动
B.应先使纸带运动，再接通电源
C.在使纸带运动的同时接通电源
D.先使纸带运动或先接通电源都可以
3.电磁打点计时器的工作电压是 ，电火花计时器的工作电压是 ，当电源频率是50 Hz时，它们每隔 s打一次点。使用电磁打点计时器时，纸带应穿过 ，复写纸要放在纸带的 面;打点时应先 ，稳定后，再让纸带运动。如图1-4-1所示为打点计时器打出的几条纸带， 纸带表示物体做匀速运动。
一、电磁打点计时器
课内探究：课件展示电磁打点计时器的大幅实物 ( http: / / www.21cnjy.com )照片(如图1-4-2)，并介绍电磁打点计时器的结构、各部分的名称、工作原理及使用方法，然后安排学生阅读教材第19页相关内容，并回答以下问题：
( http: / / www.21cnjy.com )
图1-4-2
(1)电磁打点计时器是一种使用 电源的计时仪器，如图1-4-2所示。工作电压为 V。
(2)我国交变电流的频率是50 Hz，使用这种电源时每隔 s打一次点，即相邻两个点之间的时间间隔是 。
(3)电磁打点计时器的工作 ( http: / / www.21cnjy.com )原理是利用电流的 打点计时的一种仪器。振片位于磁场中被磁化，相当于条形磁铁。当计时器的线圈通过低压交流电时，线圈产生周期性变化的磁场。在线圈和永久磁铁的作用下振片便上下振动起来，位于振片一端的振针就跟着 振动。这时如果纸带运动，振针就在纸带上打出一系列的点。打点间隔就是振片振动的周期，也就等于交流电的 。
(4)根据打点计时器打出的纸带可以获得物体的 和发生这段 所用的 。
二、电火花计时器
课内探究：课件投影电火花计时器的实物照 ( http: / / www.21cnjy.com )片(如图1-4-3)，简要介绍电火花计时器的结构、各部分的名称、工作原理及使用方法，并安排学生阅读教材第20页相关内容，然后回答以下问题：
( http: / / www.21cnjy.com )
图1-4-3
(1)电火花计时器是使用 V的电源;当电源的频率为50 Hz时，它每隔 s打一个点。
(2)电火花计时器的工作原理：
电火花计时装置中有一个将正弦式交变 ( http: / / www.21cnjy.com )电流转化为脉冲式交变电流的装置。当计时器接通220 V、50 Hz的交流电源时，按下脉冲输出开关，计时器发出的脉冲电流产生 ，利用 放电在纸带上打出点来。
(3)电火花计时器与电磁打点计时器 ( http: / / www.21cnjy.com )相比，电磁打点计时器使用时 较大(阻力包括振针和纸带间的摩擦以及限位孔和纸带间的摩擦)。而电火花计时器在使用过程中 极小，这极小的阻力来自纸带运动的本身而不是打点时产生的，因而系统误差较小。同时电火花计时器操作简单。
三、练习使用打点计时器
通过练习使用打点计时器，讨论并回答以下问题：
(1)电磁打点计时器的复写纸套在定位轴上，将纸带从复写纸的 穿过。
(2)振针打的点不清晰或打不出点可能是哪些原因？怎样调整？
(3)为什么先通电，然后才让纸带运动，而不是先让纸带运动后通电？
(4)打点完毕后要及时关闭电源，这样做有什么好处？
(5)处理纸带时，从能够看清的某个点开始数1，往后数出个点，这些点划分出来的时间间隔数有 个。
(6)根据某同学打出的一条点迹清晰的纸带，测 ( http: / / www.21cnjy.com )出两个点间的 ，数一下这两个点间共有多少个时间间隔，即有多少个 s，用这个总 去除以所需用的 ，可得物体在这段位移(或时间)内的平均速度。
例1 (多选)打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器，根据打点计时器打出的纸带，我们可以从纸带上直接得到的物理量是( )
A.时间间隔 B.位移 C.瞬时速度 D.平均速度
四、用打点计时器测量瞬时速度
课内探究：学生实验——测量手拉纸带在几个时刻的瞬时速度。并完成以下问题：
(1)利用打点计时器打出的纸带，从纸带上先 ，再 ，根据速度公式v= ，算出每段的平均速度。
(2)计算瞬时速度时可根据在 时间内， 可近似代替某点的瞬时速度。
(3)利用打点计时器测量瞬时速度的步骤和注意事项。
实验步骤：
①把电磁打点计时器(电火花计时器)固定在桌面上，并将纸带正确地穿过计时器。
②把电磁打点计时器(电火花计时器)接在 (电源插头插在220 V)的交流电源上。
③接通开关，用手水平地拉动纸带，纸带上就会打下一系列的点迹(拖动纸带的手要靠近打点计时器)。
④关闭电源，取下纸带，从能 ( http: / / www.21cnjy.com )够看清的某个点开始，往后数出若干个点，如果数出n个点，这些点划分出来的间隔数为(n-1)。由此计算出纸带从第一个点到第n个点的运动时间为 s。
⑤用刻度尺测量出第一个点到第n个点的距离x，再利用公式 计算纸带通过这段位移时的平均速度。
⑥计算瞬时速度：某点的瞬时速度可以粗略地由包含该点在内的两点间的 来表示。
注意事项：
①电磁打点计时器使用 交流电，电火花计时器使用 交流电。
②使用电火花计时器时，应注意把纸带正确穿好;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。
③使用打点计时器时，应先 ，再 ，打完点后，应立即关闭电源。
④拉动纸带前，应把手放在 打点计时器的位置。
例2 图1-4-4是某同学在做匀变速直线运动实验中获得的一条纸带。
图1-4-4
(1)已知打点计时器电源频率为50 Hz，则纸带上打相邻两点的时间间隔为 。
(2)A、B、C、D是纸 ( http: / / www.21cnjy.com )带上四个计数点，每两个相邻计数点间有四个点没有画出，从图中读出A、B两点间距离x= ;C点对应的速度是 (计算结果保留三位有效数字)。
五、用图像表示速度
课内探究：根据用打点计时器测得数据填写的表格作出速度—时间图像。
手拉纸带的数据
距离Δx/m 时间t/s 速度v/(m·)
0.029 0 0.10 0.29
0.038 3 0.20 0.38
0.044 9 0.30 0.45
0.045 9 0.40 0.46
0.045 9 0.50 0.46
0.056 0 0.60 0.56
0.057 8 0.70 0.58
0.056 2 0.80 0.56
0.057 8 0.90 0.58
0.057 4 1.00 0.57
0.058 8 1.10 0.59
1.建立坐标系时，用 轴表示时间t， 轴表示速度v，建立直角坐标系，横轴、纵轴单位长度的确定要根据实验数据的最大值、最小值合理选取，使描绘的图像能充满坐标平面的大部分空间。
2.连线时，由于速度的变化是比较 的，所以，用一条 的曲线来“拟合”这些点。作出的图像为速度—时间图像。
3.在图1-4-5中建立坐标系作出手拉纸带的速度—时间图像。
总结：用横轴表示时间，纵轴表示速度，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，得到的图像叫速度图像，即图像。
注意：图像直观地反映了速度随时间变化的情况，它并不是物体运动的轨迹。
例3 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、、、、、、共七个计数点。其相邻点间的距离如图1-4-6所示，每两个相邻的测量点之间的时间间隔为0.10 s。
(1)试根据纸带上各个计数点间的距离，计算出打下、、、、五个点时小车的瞬时速度，并将各个速度值填入下表(要求保留三位有效数字)。
数值/(m·)
( http: / / www.21cnjy.com )
图1-4-6 图1-4-7
(2)将、各个时刻的瞬时速度标在直角坐标系(图1-4-7)中，并在图中画出小车的瞬时速度随时间变化的关系图线。
例4 物体都做匀速直线运动，其速度分别为=4 m/s，=8 m/s，试画出两物体的图像。
思考讨论：匀速直线运动的速度如何变化？其速度图像将是什么情景？
1.(单选)电磁打点计时器振针打点的周期，决定于( )
A.交流电压的高低
B.交变电流的频率
C.永久磁铁的磁性强弱
D.振针与复写纸的距离
2.(单选)图1-4-8为同一打点计时器打出的4条纸带，其中平均速度最大的是哪一条(打点时间间隔均相同)( )
图1-4-8
3.如图1-4-9所示为一次记录小车运动情况的纸带 ，图中为相邻的计数点，相邻计数点间的时间间隔 QUOTE http://www.21cnjy.com/ ( http: / / www.21cnjy.com ) =0.1 s。
图1-4-9
(1)依据公式=，求三点速度的大小。
(2)选取恰当坐标系作出小车的图像。
1.百米赛跑时运动员的速度从始至终是不变的吗？如果有变化，你估计是怎样变化的？某位运动员的百米赛跑的成绩是10.57 s，按照你的估计画出他在这段时间的图像的草图。如果是没有受过训练的学生跑百米，他的图像的形状可能有什么不同？
2.电磁打点计时器使用低压交流电源工作，大家想一想能不能使用直流电源，为什么？
自我检测参考答案
1.ABD 2.A 3.6 V以下 220 V 0.02 限位孔 上 接通电源 B
图1-4-1
图1-4-5