2014年秋高中物理 1.4 实验：用打点计时器测速度学案（新人教版必修1）

1.4 实验：用打点计时器测速度
【三维目标导航】：
1．学会使用打点计时器，能根据纸带研究物体的运动情况。
2．能根据纸带上的点迹计算纸带的平均速度。
3．能够根据纸带粗略测量物体的瞬时速度。
4．了解误差和有效数字。
【导学重点】：
1．学会使用打点计时器．
2．能根据纸带计算物体运动的瞬时速度．
3．会用描点法描绘物体的速度一时间图象，并从中获取物理信息．
【导学难点】：
处理纸带的方法，用描点法画图象的能力．
【过程引領】：
把纸带跟运动的物体连在一起,研究物体的运动情况
【自主探究】：
仪器构造
（1）下图为电磁打点计时器的构造图，图中标出了几个主要部件的代号，它们的名称分别是：
( http: / / www.21cnjy.com )1、 2、 3、
4、 5、 6、
7、 8、 9、
（2）右为电火花计时器的构造图
2．仪器原理
电磁打点计时器靠电磁感应带动探针振动通过 ( http: / / www.21cnjy.com )复写纸打点;它使用 电源，由学生电源供电，工作电压在 以下，当电源的频率是50 Hz时，它每隔 打一个点，通电前把纸带穿过 ，再把套在轴上的复写纸片压在纸带的上面，接通电源后，在线圈和永久磁铁的作用下， 便振动起来，带动其上的 上下振动。这时，如果纸带运动，振针就通过复写纸片在纸带上留下一行小点，如果把纸带跟运动的物体连在一起，即由物体带动纸带一起运动，纸带上各点之间的距离就表示相应时间间隔中物体的 ;电火花计时器靠产生电火花放电蒸发墨粉打点,这种计时器工作时，纸带运动受到的阻力比较 ，实验误差也就比较 。
3．偶然误差是指由 因素造成的 ( http: / / www.21cnjy.com )，用 的方法可以减小偶然误差。系统误差是由 、 造成的，特点是多次重复测量的结果总是 真实值，呈现单一倾向,相对误差等于 ,有效数字是指带有一位 的近似数字。
【自主梳理】：
探究中遇到的问题想问同学的？
探究中遇到的问题想问老师的
【名师导学】：
【基础训练题】在使用打点计时器前应检查（ ）
A、所用电源是否符合要求 B、纸带是否平整
C、打点周期的等时性是否良好 D、复写纸安装是否正确
编者意图展示：本题重点考查打点计时器的使用
【解析】（1）还应检查振针的高度是否适当， ( http: / / www.21cnjy.com )固定振动片的螺丝是否松动，如果有上述现象会出现漏点、双点、等时性不良情况。（2）如果经检查发现打点计时器有问题，不要自己调整，应请实验老师调整，（3）一个性能良好的打点计时器的振动片的固有频率和所使用交流电频率相等，这样使振动片共振，振幅较大，打点清晰，等时性好，而振动片的固有频率与振动片的长度及材料的弹性系数有关，可以通过调节振动片的长度来调整它的固有频率，改变振动片的长度，观察振动片的振幅，把振动片长度固定在振幅最大位置。本题选A、B、C、D
【基础训练题】打在纸带上的点，记录了纸带的运动
时间．如果把纸带和运动的物体连接在一起，纸带上的
点就相应地表示出运动物体在不同时刻的位置．研究纸
带上的点子之间的间隔，就可以了解运动物体在不同时
间内发生的位移，从而了解物体的运动情况．请你用简
短的语言描述图示每条纸带记录的物体的运动情况．
编者意图展示：本题重点考查如何利用纸带判断物体的运动情况
【解析】(a)，(b)的各 ( http: / / www.21cnjy.com )点分布较为均匀，是匀速运动，但从点子的疏密程度来看，(b)上的点子较稀疏，所反映的物体运动较快，速度较大．(c)表示物体运动得越来越快，速度在增大，(d)表示物体运动得越来越慢，速度在减小．
【能力提升题】某次实验用打点计时器交流 ( http: / / www.21cnjy.com )电的频率为50Hz，纸带的记录如图所示,图中O点为纸带的第一个点，接下来的前几个点模糊,因此从A点开始每打五个点取一个计数点,推测纸带的运动是加速还是减速？在打出A、F这两点的时间间隔中，纸带运动的平均速度是多大？ B点的瞬时速度为多大？
编者意图展示：本题重点考查如何利用纸带求解一段时间内平均速度或某一时刻瞬时速度的方法
【解析】从A点开始每打五个点取一个计数点，计数点间只有5个间隔，则计数点间运动的总时间为t=0.02×5s=0.1s，每隔0.1s纸带运动的位移分别是2.15cm、2.89cm、3.74cm、4.32cm、5.15cm，说明纸带作加速运动．A、F间纸带运动的平均速度为
B点的瞬时速度可以用AC、AD、AE或AF段的平均速度表示，其中AC段的平均速度最接近B点瞬时速度．
【能力提升题】：某同学在“用打点计 ( http: / / www.21cnjy.com )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个测量点．其相邻两点间的距离如下图所示，每两个相邻的测量点之间的时间间隔为0.10s.
(1) 若用匀变速直线运动中某段 ( http: / / www.21cnjy.com )时间中点的速度代替该过程中的平均速度.试根据纸带上各个测量点间的距离，每隔0.10s测一次速度，计算出打下B、C、D、E、F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)
瞬间速度 vB vC vD vE vF
数值/(m·s－1)
(2)以A点为计时起点，将B、C、D、E、F各个时刻的瞬时速度标在下图所示的直角坐标系中，并画出小车的瞬时速度随时变化的关系图线．
编者意图展示：本题重点考查探究小车速度随时间变化的规律,如何利用纸带求解一段时间内平均速度或某一时刻瞬时速度的方法
【解析】(1)每两个相邻计数点之间还有四个点 ( http: / / www.21cnjy.com )未画出，所以相邻的计数点间的时间间隔T=0.1s．根据匀变速直线运动中时间中点的速度等于该过程中的平均速度可求出打下B、C、D、E、F五个点时小车的瞬时速度大小分别是0.400m/s;0.479m/s;0.560m/s;0.640m/s;0.721m/s
(2) 瞬时速度随时变化的关系图线如右图
【高手支招】：
一．利用纸带判断物体的运动情况
1.点迹密集的地方表示纸带运动的速度小，点稀疏的地方表示速度大。
2.若点与点之间的距离相等，就可判断物体做匀速运动，若点与点间距越来越大，则物体做加速运动，反之做减速运动.
二．平均速度和瞬时速度的计算
1.平均速度：两点间平均速v＝，这里Δx可以用直尺测量出两点间的距离，Δt为两点间的时间隔数与两点间时间间隔的乘积;
2.瞬时速度：用包含某点在内的一段时间内的平均建度粗略表示该点的瞬时速度
三．实验：用打点计时器测速度注意事项
1.开始释放小车时，应使小车靠近打点计时器。
2.先接通电源，计时器工作后，再放开小车，当小车停止运动时及时断开电源。
3.要防止钩码落地和小车跟滑轮相撞，当小车到达滑轮前及时用手按住它。
4.牵引小车的钩码个数要适当，以免加速度过大而使纸带上的点太少，或者加速度太小而使各段位移无多大差别，从而使误差增大。
【同步演练】：
一．选择题
1．关于打点计时器的使用，下列说法中正确的是( )
A．打点计时器应用低压交流电源，交流电频率必须为50Hz
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，每次释放纸带前应先将纸带理顺
2．关于打点计时器在纸带上打出的点痕，下列说法中正确的是( )
A．点痕记录了物体运动的时间和速度的大小
B．点痕记录了物体在不同时刻的位置和某段时间内的位移
C．点在纸带上的分布情况反映了物体的运动情况
D．根据纸带上的点痕可以知道任一时刻运动物体的瞬时速度
3．某同学在使用电磁打点计 ( http: / / www.21cnjy.com )时器时，纸带上点不是圆点而是一些短线，这可能的原因是( )
A．接在直流电源上 B．电源电压不稳 C．电源频率不稳 D．打点针压得过紧
4．电磁打点计时器的打点周期取决于 （ ）
A．交流电压的高低 B．交流电的频率 C．永久磁铁的磁性强弱 D．振针与复写纸间的距离
5．在使用打点计时器时（ ）
A、每打完一列点子就要切断电源, 防止线圈过热而损坏
B、不要移动圆形复写纸片的位置, 以充分利用复写纸的各个部位，可保证打点清晰
C、纸带一定要从两限位孔穿过，并且压在复写纸的下面
D、侧向移动限位孔位置，在一条纸带上可以打出两列点，提高纸带的利用率
6．某同学用手水平地拉动 ( http: / / www.21cnjy.com )纸带，通过打点计时器后纸带上打下一系列点，他要根据这一系列点，计算纸带运动的平均速度及判断纸带是否做匀速直线运动，则下列操作中正确的是 ( )
A．首先要查清共有多少个点
B．首先从第一个能看清的点数起，查清共有多少个点
C．分别测量出每两个相邻清晰点间的距离，然后相加，把相加的结果作为所有能看清点间的总长度，用来计算平均速度
D．分别测量出每两个相邻清晰点间的距离，用来计算各段的平均速度，判断是是否是匀速运动
7．运动小车拉动的纸带通过打点计时器后，在纸带上留下的点子中有5 个连续清晰的点，测出5 个点间的距离为20cm，则（ ）
A、小车运动的平均速度为2.00m/s B、小车运动的平均速度为2.50m/s
C、小车运动的平均速度为200m/s D、小车运动的平均速度为250m/s
8.电磁打点计时器、平板、小车等器材做 ( http: / / www.21cnjy.com )研究匀变速直线运动的实验，下图是学生即将释放小车之前的装置图．该装置图中有3处明显错误，它们是：__________________________________；
__________________________________；__________________________________；
9.在“探究小车速度随时间变化的规 ( http: / / www.21cnjy.com )律”的实验中，打点计时器使用的交流电的频率为50Hz，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6个计数点，相邻两计数点之间还有四个点未画出，纸带旁并排放着带有最小分度为毫米的刻度尺，零刻度线跟“0”计数点对齐，由图可以读出三个计数点1、3、5跟0点的距离填入下列表格中．以小车在某段时间内的平均速度表示这段时间中间时刻的瞬时速度计算小车通过计数点“2”的瞬时速度公式为v2 =________（以d1、d2及相邻计数点间时间T来表示）代入得v2 =____m/s．（结果保留两位有效数字）
10.在做《研究匀变速直线运动》的实验中 ( http: / / www.21cnjy.com )，打点计时器采用的是 （选“交流”或“直流”）电源；实验中得到一条纸带如图所示0、1、2、3、4、5、6为实验中所取的计数点，两个计数点间还有四个点未画出，那么相邻两计数点间的时间间隔为 s；打印计数点2、6这段时间时纸带的平均速度大小V4= m/s。
参考答案：
1．CD 2．BC 3． ( http: / / www.21cnjy.com )D 4．B 5．ACD 6．BD 7．B 8．【解析】①电磁打点计时器使用直流电源②释放小车前，小车没有位于电磁打点计时器附近③拉小车的线没有跟长木板平
9. d1=1．20cm、d2=5．4 ( http: / / www.21cnjy.com )0cm、d3=12．00cm、 v2 =（d2-d1）/2T（字母表达式）v2 =0.21m/s．（结果保留两位有效）10.交流; 0.1 0.768
【总结与反思】
（a）
（b）
（c）
（d）
O
A
B
1.30
C
D
E
F
G
3.45
6.34
10.08
14.40
19.55
单位:cm