【21世纪原创】2017年秋高中物理人教必修1同步学案：1.4　实验：用打点计时器测速度

4　实验：用打点计时器测速度
【学习目标】
1.了解两种打点计时器的结构和工作原理，并学会安装和使用.
2.掌握测瞬时速度的方法，会用打出的纸带求瞬时速度.
3.会用图象表示速度随时间变化的规律．
【自主预习梳理】
一、打点计时器及其原理
1．作用及分类
打点计时器是一种使用________(填“交流”或“直流”)电源的计时仪器，当电源频率为50 Hz时，它每隔________打一次点，打点计时器和纸带配合，可以记录物体运动的________及在一段时间内的________，供高中学生实验用的计时器有______打点计时器和______计时器两种．www.21-cn-jy.com
2．电磁打点计时器
(1)工作电压：________以下的________(填“交流”或“直流”)电源；
(2)原理：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，振针就通过复写纸在纸带上留下一行小点．
3．电火花计时器
(1)工作电压：________交流电源；
(2)原理：当接通电源、按下脉冲输出开关时，计时器发出的脉冲电流经放电针、墨粉纸盘到纸盘轴，产生____________，于是在运动的纸带上打出一行点迹．
4．两种计时器误差比较
________计时器使用中对纸带的运动阻力极小，因而系统误差较小．
二、练习使用打点计时器
1．实验步骤
(1)把打点计时器固定在桌子上并穿好纸带．
(2)把打点计时器的两个接线柱接到________电源上(电磁打点计时器接______ V以下低压________电，电火花计时器接________ V________电)．www-2-1-cnjy-com
(3)先接通电源开关，再用手水平拉动纸带，纸带上就打下一行小点，随后立即关闭电源．
(4)取下纸带，从能看得清的某个点开始，往后数出若干个点，如果共有n个点，那么n个点的间隔数为________个，则纸带的运动时间Δt＝(________)×0.02 s.
(5)用刻度尺测量出从____________的点到最后的点间的距离Δx.
(6)利用公式v＝________计算出纸带在这段时间内的平均速度．
2．注意事项
(1) 打点前，应使物体停在________(填“靠近”或“远离”)打点计时器的位置.
(2) 打点时，应先接通电源，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(可先统一测量出各个计数点到起始点O之间的距离)．读数时应估读到________的下一位．
三、用打点计时器测量瞬时速度
1．原理
纸带上某一位置的瞬时速度，可以粗略地由包含这一位置在内的一小段位移Δx内的平均速度表示，即根据v＝________，当Δt或Δx较小时，用这个____________代表纸带经过该位置的瞬时速度．2-1-c-n-j-y
如图1所示，E点的瞬时速度可用D、F两点间的平均速度代表，即vE＝.
图1
2．数据处理
(1)测量：把纸带上能看得清的某个点作为起始点O，以后的点分别标上A、B、C、D……，如图2所示，依次测出各点到O点的距离，再算出OA、AB、BC……的距离x1、x2、x3…….
图2
(2)计算：若打点计时器打点的周期为T，则A、B、C、D……各点的瞬时速度分别为：vA＝__________________、vB＝__________________、vC＝____________________、vD＝__________________…….21*cnjy*com
(3)列表比较：把数据填入下表，根据数据判断纸带运动速度的变化情况．
位置
A
B
C
D
E
F
G
v/(m·s－1)
3.注意
(1)为了减小实验误差，A、B、C、D……不一定是连续计时点，比如可以每隔四个点选一个点(称为计数点)，此时两个计数点间的时间间隔T＝________ s.2·1·c·n·j·y
(2)计算计数点的瞬时速度时，Δx、Δt应取此计数点前、后两个计数点之间的位移和时间，即v＝________.【来源：21cnj*y.co*m】
四、用图象表示速度
1．速度－时间图象(v－t图象)
用横轴表示________，纵轴表示________，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，即得到物体运动的v－t图象．
2．v－t图象的意义
v－t图象非常直观地反映了速度随时间变化的情况，但它________(填“是”或“不是”)物体运动的轨迹．【出处：21教育名师】
例如，图3所示是某质点做直线运动的v－t图象．
图3
由v－t图象可知在0～4 s内速度随时间不断增大，表示质点做________运动；在4～8 s内速度不随时间变化，表示质点做匀速运动；在8～10 s内速度随时间不断减小，表示质点做________运动．质点在t＝0时刻的速度为0.在5 s末的速度大小为15 m/s.
【重点知识探究】
一、打点计时器的应用原理及操作
例1　(多选)使用打点计时器测量瞬时速度时应注意(　　)
A．电火花计时器使用的电源是220 V的交流电源，电磁打点计时器使用的是直流6 V以下
B．使用打点计时器时应先接通电源，再拉动纸带
C．使用打点计时器拉动纸带时，拉动的方向应与两限位孔平行
D．打点计时器只能连续工作较短时间，打点之后要立即关闭电源
二、瞬时速度的计算和速度图象的画法
例2　打点计时器所用电源的频率为50 Hz，某次实验中得到一条纸带，用毫米刻度尺测量的情况如图4所示，纸带在A、C间的平均速度为______m/s.在A、D间的平均速度为______m/s.B点的瞬时速度更接近于______m/s.(结果保留两位小数)【来源：21·世纪·教育·网】
图4
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A、B、C、D、E、F、G共7个计数点．相邻计数点间的距离如图5所示，每两个相邻的计数点之间的时间间隔为0.1 s．(本题计算结果均保留3位有效数字)21世纪教育网版权所有
图5
(1) 在实验中，使用打点计时器时应先________再________(填“释放纸带”或“接通电源”)．【版权所有：21教育】
(2) 每两个计数点间还有________个点没有标出．
(3) 试根据纸带上各个计数点间的距离，每隔0.1 s测一次速度，计算出打下B、C、D三个点时小车的瞬时速度，并将各个速度值填入下表．21教育名师原创作品
vB
vC
vD
vE
vF
数值(m/s)
0.640
0.721
(4)将B、C、D、E、F各个时刻的瞬时速度标在图6直角坐标系中，并画出小车的瞬时速度随时间变化的关系图线．21cnjy.com
图6
【当堂达标检测】
1．练习使用打点计时器时，接通电源与释放纸带让纸带(随物体)开始运动，这两项操作的先后顺序是(　　)21*cnjy*com
A．先释放纸带，后接通电源
B．先接通电源，后释放纸带
C．释放纸带的同时接通电源
D．先接通电源或先释放纸带都可以
2．你左手拿一块表，右手拿一支笔，当你的合作伙伴沿直线拉动一条纸带，使纸带在你的笔下向前移动时，每隔1 s用笔在纸带上点下一个点，这就做成了一台“打点计时器”．如果在纸带上点下了10个点，则在打下的这些点的过程中，纸带的运动时间是(　　)
A．1 s B．9 s C．10 s D．11 s
3．如图7所示是一条打点计时器打出的纸带，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点未画出，各计数点到0的距离如图所示．
图7
(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)
0.20
0.61
0.70
(2)在坐标纸中画出质点的速度—时间图象．

答案精析
自主预习梳理
一、1.交流　0.02 s　时间　位移　电磁　电火花　2.(1)6 V　交流　(2)振片　振针
3．(1)220 V　(2)火花放电　4.电火花
二、1.(2)交流　6　交流　220　交流
(4)n－1　n－1　(5)开始计数
(6)　2.(1) 靠近　(4)毫米
三、1.　平均速度　2.(2)
　　　3.(1)0.1　(2)
四、1.时间t　速度v　2.不是　加速　减速
重点知识探究
例1　BCD　[电磁打点计时器和电火花计时器都是使用交流电源，故A错；实验时应当先接通电源，再拉动纸带，故B正确；为了减小摩擦，拉动纸带的方向应当与限位孔平行，故C正确；打点计时器不能长时间连续工作，故D正确．]21教育网
例2　0.35　0.42　0.35
解析　由题意知，相邻两点间的时间间隔为0.02 s.
A、C间的距离为14 mm＝0.014 m.
A、C间对应的时间为0.02×2 s＝0.04 s.
A、D间的距离为25 mm＝0.025 m.
A、D间对应的时间为0.02×3 s＝0.06 s
由公式v＝得：
vAC＝ m/s＝0.35 m/s，
vAD＝ m/s≈0.42 m/s.
B点的瞬时速度更接近于A、C间的平均速度．
例3　(1)接通电源　释放纸带　(2)4
(3)0.400　0.479　0.560　(4)见解析图
解析　(1) 在实验中，使用打点计时器时应先接通电源，再释放纸带．
(2) 每两个计数点间还有n＝－1＝－1＝4个点没有标出．
(3)vB＝ m/s
＝0.400 m/s；
vC＝ m/s
＝0.479 m/s；
vD＝ m/s
≈0.560 m/s.
(4)图线如图所示：
当堂达标检测
1．B　[开始记录时，应先给打点计时器通电打点，然后释放纸带，如果先放开纸带，再接通打点计时器的电源，会导致物体运动较快，不利于数据的采集和处理，会对实验产生较大的误差；同时先打点再释放纸带，可以使打点稳定，提高纸带利用率，可以使纸带上打满点，A、C、D错误，B正确．]21·cn·jy·com
2．B　[每隔1 s用笔在纸带上点下一个点，如果在纸带上点下了10个点，也就有9个时间间隔，所以纸带的运动时间是9 s．故选B.]21·世纪*教育网
3．(1)0.40　0.69　(2)见解析图
解析　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
根据题(1)表格中数据在直角坐标系中描点，然后连线得到图象如图所示．