3.2 匀变速直线运动的实验探究 学案 (1)

3.2
匀变速直线运动的实验探究
学案
【学习目标】
1．知道打点计时器的构造和工作原理，能正确使用打点计时器。
2．会分析打点计时器打出的纸带，能根据纸带正确判断物体的运动情况，并计算平均速度、瞬时速度和加速度。
【学习重点】
掌握利用打点计时器判断小车是否做匀变速直线运动的方法
【知识要点】
一、打点计时器及其使用
1．中学实验室的两种打点计时器
（1）电磁打点计时器
结构：如右图所示
原理：
电磁打点计时器是一种使用低压交流电源的计时器，其工作电压为4～6V。当电源频率为50Hz，它每隔0.02s打一个点。把纸带穿过限位孔，再把套在轴上的复写纸片压在纸带上面，通电后，在线圈和永久磁铁的作用下，振片便振动起来，位于振片一端的振针就跟着上下振动起来，当物体拖着纸带运动时，振针就在纸带上打出一系列的点，这些点记录了运动物体的位置的同时，也记录了对应发生这些位移所用的时间。
（2）电火花计时器
结构：如右图所示
原理：电火花计时器是利用火花放电在纸带上打出小孔，从而显示出电迹的。当电源频率50Hz时，它每隔0.02s打一个点。计时器使用时，墨粉纸盘轴上，并夹在两条纸带之间，接通220V交流电源，按下脉冲输出开关，计时器发出的脉冲电流经接正相的放电计、墨粉纸盘到负相的纸盘轴，产生火花放电，在运动的纸带上就打出一列电迹。
二、使用打点计时器研究匀变速运动
1．由纸带判断物体是否做匀变速直线运动。
设物体做匀变速直线运动，加速度是a，在各个连续相等的时间间隔T内的位移分别是s1、s2、s3、……,则△s=s2–s1=s3–s2=…=aT2，即连续相等的时间间隔内的相邻位移差相等。
因此，要由纸带判断物体是否做匀变速直线运动，只要看纸带上时间间隔相等的连续相邻的计数点间的距离之差是否相等即可（在实验误差允许范围内）。
2．利用△s＝aT2求小车的加速度的方法。
①逐差法：如图所示，根据s4–s1=3a1T2，s5–s2=3a2T2，s6–s3=3a3T2，求出a1、a2、a3，再则由=算出平均值，作为匀变速直线运动物体的加速度。
“逐差法”求加速度的目的：尽可能多地使用我们测量的数据s1、s2、s3、……，以减小偶然误差。
②υ–t图象法：根据匀变速直线运动在某段时间中间时刻的速度等于这段时间内的平均速度即υn=，求出打第n个计数点时纸带的瞬时速度，再作出υ–t图象，图线的斜率表示匀变速直线运动物体的加速度。
三、实验步骤
1．把长木板上没有定滑轮的一端垫高放在课桌上，有定油轮的一端伸出桌边把打点计时器固定在长木板垫高的一端，连接好电路。
2．把纸带穿过打点计时器，并将纸带的一端固定在小车的后面。
3．把小车停在靠近打点计时器处，接通电源后，放开小车，让小车拖着纸带运动，打点计时器就在纸带上打下一列小点。
4．换上纸带，重复实验三次。
⑸从三条纸带中，挑选一条比较理想（点迹清晰）的进行分析。分析计算的结果填入按课本表3－2、3－3设计的表格中，并根据实验结果得出结论。
4、数据处理
（1）逐差法
（2）求某点的瞬时速度
（3）作图法求加速度
四、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．木板倾斜度要调到能在50cm长的纸带上清楚地取得六七个计数点为宜，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。
4．误差问题
做物理实验，不仅要观察物理现象，还要找到现象中的数量关系，要知道物理量的数值，必须进行测量，测量的结果不可能绝对正确的，测出的数值与真实值的差异叫做误差。从来源看，误差可以分为系统误差和偶然误差两种。
系统误差是由于仪器本身不精确，或实验原理不完善，实验方法粗略等因素造成的。系统误差的特点是多次重做同一实验时，误差总是同样地偏大或偏小，不会出现这几次偏大另几次偏小的情况。要减小系统误差，必须校准测量仪器，改进实验方法，设计在原理上更为完善的实验。
偶然误差是由各种偶然因素对试验者、测量仪器、被测物理量的影响而造成的。偶然误差总是有时偏大，有时偏小，并且偏大和偏小的概率相同。因此将多次测量结果取平均值，可以使测得的结果比一次测得的数值更接近于真实值，达到减小偶然误差的效果。
5．要区别计时器打出的点与人为选取的计数点，一般在纸带上每隔五个点取一个计数点，即时间间隔为T=0.02s×5s=0.1s。
6．使用电磁打点计时器时必须接在6－8V的低压交流电源上；使用电火花计时器时须接在220V的交流电源上。注意计时器不宜长时间通电，每次都要及时关闭电源开关。
【典型例题】
例1使用电火花计时器来分析物体运动情况的实验中：
①在如下实验步骤中，正确合理的排列顺序为　　　　　　　　　。
A．把电火花计时器固定在桌子上
B．安好纸带
C．松开纸带让物体带着纸带运动
D．接通220V交流电源
E．按下脉冲输出开关，进行打点
②在安放纸带时，要检查墨粉纸盘是否已经正确地套在　　　，还要检查　　　　　是否夹在两条纸带之间。
[分析与解]合理的顺序应为ABDEC。墨粉纸盘应套在纸盘轴上，目的是使它可以转动，均匀地被利用。墨粉纸盘夹在两条纸带之间，目的是使墨粉纸盘可以更好地转动。
提示：使用电火花计时器实验的操作步骤和打点计时器是相仿的，但电火花打点计时器具有打点清晰、实验误差小的优点。
例2使用打点计时器时，下列问题对实验的影响是什么？
（1）错接在直流电源上，影响是______________________________________________
（2）电源频率不稳，影响是________________________________________________
（3）打点针压得太紧，影响是_______________________________________________
（4）电源电压不稳，影响是_________________________________________________
（5）振针过长，影响是____________________________________________
[分析与解]⑴不会打点；⑵打点间隔无规律，不会总是每隔0.02s打一个点，但纸带上看不出，而实际上打点间隔已不是0.02s内物体运动的位移；⑶针与纸带接触时间过长，使“点”变成为“线”；⑷不影响打点的时间间隔，影响打点的清晰程度；⑸对纸带的影响和振针压得太紧相似，是间断的直线
【达标训练】
关于计数点的下列说法中正确的是（ABD）
A．用计数点进行测量计算，既方便又可减小误差
B．相邻计数点间的时间间隔应是相等的
C．相邻计数点间的距离应是相等的
D．计数点是从计时器打出的实际点中选出来的，相邻计数点间点迹的个数相等
一个物体做匀加速直线运动，其有关数据记录在下列表格中，其中遗漏了几项，请你把遗漏的数据补齐，表中①、②、③为空缺，则分别是___、___、___。
时间
1秒末
2秒末
3秒末
4秒末
速度（m·s-1）
3
5
①
9
位移（m）
2
②
12
③
答案：7，6，20
如图是用频闪法（闪光频率一定）拍得的三幅体育摄影作品，请根据运动学知识判断下列说法中正确的是（C）
A．第一幅图是车减速阶段拍摄的
B．第二幅图是车减速阶段拍摄的
C．第三幅图是车减速阶段拍摄的
D．三幅照片都是车匀速行驶时拍摄的
4．一个滑块沿斜面滑下如图2-1-6所示，依次通过斜面上的A、B、C、D、E、F点，已知AB=6cm，BC=10cm，CD=14cm，DE=18cm，滑块经过相邻两点之间的时间间隔为2s，求：
（1）滑块在B、C、D三点的瞬时速度
（2）寻求图中滑块的运动规律，推断出E、F两点间的位移和E点的瞬时速度.
vB=4cm/s,
vC=6cm/s,
vD=8cm/s;
xEF=22cm,
vE=10cm/s
5．在用打点计时器研究小车速度随时间变化规律的实验中，得到一条纸带如图2-1-7所示.A、B、C、D、E、F、G为计数点，相邻计数点间时间间隔为0.10s,x1=1.20cm,
x
2=1.60cm,x
3=1.98cm,
x
4=2.38cm,
x
5=2.79cm,
x
6=3.18cm.
(1)计算运动物体在B、C、D、E、F各点的瞬时速度.
(2)在2-19图中作出v-t图象,并由图象求物体的加速度.
(1)
vB=14cm/s,
vC=17.9cm/s,
vD=21.8cm/s;
vE=25.85cm/s
,vF=29.85cm/s.
(2)
a=(30.0－10.0
)/0.5=40.0(cm/s2)
【反思】
收获
疑问
电磁打点计时器
电火花打点计时器
0
s1
1
s2
2
s3
3
s4
4
s5
5
s6
6
单位：mm