高中物理教科版（2019）必修一课件 1.4 实验：用打点计时器测量小车的速度（20张PPT）

(共20张PPT)
第一章 描述运动的基本概念
实验：用打点计时器测量小车的速度
一、实验设计
使小车拉动纸带运动，用打点计时器按相同的时间间隔在纸带上打出一系列点迹。这些点迹对应着各时刻小车的位置，通过测量各个时刻小车的位置，算出相邻时刻间的位移，由于时间间隔Δt足够小，所以Δt内的
平均速度 对应着这段时间起始点的瞬时速度。
小车、附有滑轮的长木板、打点计时器、纸带、细绳、刻度尺、坐标纸。
二、实验器材
1.按图甲安装实验器材。
打点计时器的两个接线柱接到交流电源上(电源频率为50 Hz，电磁打点计时器接6 V低压交流电源，电火花打点计时器接220 V交流电源)。
甲
三、实验操作
2.使小车在木板上保持静止，并靠近打点计时器，开启打点计时器的电源开关。打点计时器稳定工作后，用手拉动细绳，使小车沿木板做直线运动。待小车运动约一半距离时，松开手，使小车依靠惯性继续运动，直到左端。纸带上会留下一系列点迹如图乙所示。
乙
四、数据处理
1.在纸带上选取一段点迹清晰并且没有重叠的区间，把第1个点标为O，而后依次标为A、B、C、D…
2.用刻度尺测量各点的位置(一般使刻度尺的零刻度线与O点对齐，即O点的位置记为0)，记录在下表中。
计数点序号 O A B C D E …
计数点对应的时刻/s 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10
计数点对应的位置坐标x/m
3.计算各相邻计时点间的位移xOA、xAB、xBC、xCD、xDE…并记录在下表中。
把相邻计时点间的平均速度当作起始点的瞬时速度(例如把 当作vO)，在如图所示的坐标纸上绘制v－t图像。
五、绘制v－t图像
1.为什么我们可以把相邻计时点的平均速度当作起始点的瞬时速度？
因为两计时点间的时间间隔很短，即Δt足够小时， 就可以认为是测量时刻(起始点)的瞬时速度。
2.如图乙，OE间的平均速度与OA间的平均速度，二者谁更接近O点的瞬时速度？为什么？
OA间。因为时间间隔Δt越小，Δt内的平均速度越接近起始点的瞬时速度。
1.打点前，应使物体停在靠近(填“靠近”或“远离”)打点计时器的位置。
2.打点时，应先开启电源，待打点计时器打点稳定后，再拉动纸带。
3.打点计时器不能连续工作太长时间，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，即统一测量出各个计数点到起始点之间的距离。
5.为减小实验误差，A、B、C、D…不一定是连续的计时点，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。
六、注意事项
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________，它靠电火花和墨粉打点，当电源的频率为50 Hz时，它每隔_____秒打一次点。
时间
位移
220 V
0.02
(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，把墨粉纸盘套在纸盘轴上，让纸带穿过
限位孔
B.把打点计时器与6 V低压直流电源相连
C.用手水平地拉动纸带，然后启动电源
D.关闭电源，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
BC
2.如图是实验中得到的一条纸带，从0点开始每5个点取一个计数点(打点计时器的电源频率是50 Hz)，依照打点的先后次序编为1、2、3、4、5、6，测得x1＝1.22 cm，x2＝2.00 cm，x3＝2.78 cm，x4＝3.62 cm，x5＝4.40 cm，x6＝5.18 cm。
(1)相邻两计数点间的时间间隔为T＝_____s。
0.1
(2)计数点2、4之间的平均速度大小v24＝______m/s。
(3)打点计时器打下计数点3时，纸带的速度大小v3＝______m/s。
0.32
0.32
3.(2023·山东青岛市高一期中)如图所示是一条打点计时器打出的纸带，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打出的点未画出，
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。
v1 v2 v3 v4 v5
数值(m·s－1) 0.20 0.61 0.70
0.40
0.69
(2)在如图所示的直角坐标系中画出运动物体的速度—时间图像。
(3)如果当时交流电源的频率f＝51 Hz，而计算时仍按f＝50 Hz处理，那么速度测量值将______。(填“偏大”“偏小”或“不变”)(已知T＝ )
偏小
如图所示是利用位移传感器测量速度的示意图.这个系统由发射器 A 和接收器B组成，发射器A能够发射红外线和超声波信号，接收器 B可以接收红外线和超声波信号，发射器 A固定在被测的运动物体上，接收器 B固定在桌面上或滑轨上，
运动方向
超声波
红外线
连接到计算机
1.借助传感器与计算机测速度
A
A
B
x2
x1
Δx
P
Q
拓展方案
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 接收到红外线脉冲开始计时，接收到超声波脉冲停止计时.根据两者的时差和空气中的声速，计算机自动算出A 与B间的距离（红外线的传播时间可以忽略）.经过短暂的时间Δt后，传感器和计算机系统自动进行第二次测量，得到物体的新位置.
运动方向
超声波
红外线
连接到计算机
A
A
B
x2
x1
Δx
P
Q
算出两个位置间的距离，即物体运动的位移Δx,系统按照v＝ 算出速度v，显示在屏幕上.这样测出的速度是发射器A在时间Δt内的平均速度.然而Δt很短，通常设置为0.02 s，所以Δx与Δt之比可以代表此刻发射器A（即运动物体）的瞬时速度.
运动方向
超声波
红外线
连接到计算机
A
A
B
x2
x1
Δx
P
Q
4.如图所示是用“位移传感器”测量小车速度的示意图，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________。
v0t1
(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___________。