实验：用打点计时器测速度

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四、实验：用打点计时器测速度
知识要点精析
1．实验目的
（1）练习使用电火花计时器或电磁打点计时器．
（2）利用打上点的纸带研究物体的运动情况
2．实验原理
（1）电火花计时器（如图1－6所示）是利用火花放电在纸带上打出小孔而显示出点迹的计时仪器．使用时，墨粉纸盘套在纸盘轴上，并夹在两条纸带之间．当接通220V的交流电源，按下脉冲输出开关时，计时器发出的脉冲电流经接正极的放电针、墨粉纸盘到接负极的纸盘轴产生火花放电（如图1－7所示）．于是在运动的纸带上就打出一列点迹．当电源频率是50Hz时，每隔0.02s打一次点．
（2）电磁打点计时器（如图1－8所示）是一种使用低压交流电源的计时仪器，工作电压10V以下，当电源频率是50Hz时，每隔0.02s打一次点．
电磁打点计时器的工作原理可用图1－8来说明：当线圈中通入的交流电为正半周时，设电流方向如图1－9甲所示，则线圈中被磁化的钢制簧片左端为N极，永久磁铁使簧片受到一个向下的力；当交流电变为负半周时，电流方向如图1－9乙所示，簧片左端为S极，永久磁铁使簧片受到一个向上的力．随着交变电流方向的周期性变化，簧片周期性地受到向下、向上的力就振动起来，制造时使簧片的固有频率为50Hz等于交变电流的频率，这样簧片就振动得最激烈（共振），振动频率也为50Hz，每隔0.02s就在从其下面通过的纸带上打下一个点．
（3）两种计时器的比较
两种计时器使用的都是交流电源，当电源频率为50Hz时，都是每隔0.02s打一个点；但是它们的工作电压不同，电磁打点计时器使用的是10V以下低压，电火花计时器的工作电压是220V，电火花计时器工作时，纸带运动受到的阻力较小，误差较小．
（4）如果把纸带跟运动物体连接在一起时，打点计时器便在纸带上打出一系列的点，这些点记录了运动物体在不同时刻的位置和相应的时间．通过对纸带上点之间距离的研究，可以了解物体的运动情况．
3．实验器材
电火花计时器（或电磁打点计时器），纸带，刻度尺，导线，220V交流电源（或低压交流电源）．
4．实验步骤
（1）把电火花计时器固定在桌子上，对照使用说明书了解计时器的结构，检查墨粉纸盘是否已经正确地套在纸盘轴上，将两条白纸带穿过限位孔，墨粉纸盘夹在两条纸带之间（若是电磁打点计时器，应将纸带压在复写纸的下面，复写纸的正面朝下）．
（2）接220V交流电源（若是电磁打点计时器，用10V以下低压交流电）．
（3）按下脉冲输出开关（若是电磁打点计时器，则打开电源开关），用手水平地拉动纸带，纸带上就打出一行小点．
（4）立即关闭打点计时器，取下纸带．从能够看清的某个点开始，往后数出若干个点，如果数出n个点，点子间的间隔数则为（n－1）个，用△t=0.02（n－1）计算出纸带从第一个点到第n个点的运动时间．
（5）用刻度尺测量出第一个点到第n个点的距离．利用公式计算出纸带在这段时间内的平均速度，把测量和计算的结果填入表1中．
表1：纸带在某段时间内的平均速度
点子数n 点子间隔数n－1 运动时间/s 位移/m 平均速度
（6）在纸带上找出连续的六个点，分别标上记号A、B、C、D、E、F，用刻度尺量出相邻两点间的距离x1、x2、x3、x4、x5（如图1－10），把数据填入表2，根据这些数据，判断纸带的这段运动是匀速运动还是变速运动，是加速运动还是减速运动，并写明理由．
表2：纸带的运动情况
A和B的距离/m B和C的距离/m C和D的距离/m D和E的距离/m E和F的距离/m
判断结果和理由：
（7）在纸带上选取点能看清的一段（如图1－11），将某个能看清的点标为0，以后每隔0.1s标一个测量点，测量包含某个测量点的一段位移，记录在表3中，同时记录对应的时间（设电源频率是50Hz）．
表3：纸带在几段时间中的位移和平均速度
位置 0 1 2 3 4 5
0.1 0.04
（8）将上表中测得的0，1，2，…，5各点附近的平均速度，当作计时器打下这些点时的瞬时速度，记入表4．点0作为计时的开始，t=0．
表4：纸带在几个时刻的瞬时速度
位置 0 1 2 3 4 5
t/s
（9）以瞬时速度v为纵轴、时间t为横轴在方格纸上建立直角坐标系．根据表4中的v、t数据，在坐标系中描点，用平滑曲线把这些点连起来．根据v－t图象描述纸带的运动情况．
5．注意事项
（1）检查交流电源的电压和频率是否符合要求．
（2）用电火花计时器时，应先按下脉冲输出开关，听到轻微放电声后，再拉动纸带．点迹不清时，需要更换墨粉纸盘；用电磁打点计时器时，应先检查打点的稳定性和清晰情况，必要时应调节振针的高度、振动片的长度或更换复写纸．
（3）纸带宽度稍小于限位孔的宽度，拉动纸带要平稳，尽量不要跟限位孔边缘接触摩擦，拉动不宜过快、过慢，尽量水平拉，以打下的点尽量清晰为标准．
（4）每拉动一次纸带，将定位轴上的复写纸片换个位置，以保证打点清晰（电火花计时器的双纸带能靠纸带的摩擦达此目的）．
（5）选择测量点时，要排除初段密集区域的点，使测量更方便．
（6）确定运动时间时，不要将点子数n和点子间隔数（n－1）混淆．
（7）原始数据是宝贵的实验资料，取下纸带后及时用箭头标明运动方向，实验的纸带贴在实验报告中，作为原始记录．
（8）测量时，以长尺一次完成为好，不要用短尺分段测量，注意按有效数字规则读数．
（9）开始拉动纸带的初始位置要靠近计时器，以便充分利用纸带的长度．
（10）打点计时器只能连续工作很短时间，打点之后要立即关闭电源．
范例剖析点拨
【例1】 电火花打点计时器使用交流 V电源工作，它是利用 在纸带上打出小孔而显示点迹的计时仪器．工作电源频率是50Hz，如果用它测量时，实验者不知工作电压的频率变为60Hz，仍按50Hz的频率计算，这样算出的速度值与物体速度的真实值相比是 （填“偏大”或“偏小”）．
发散演习
1．用打点计时器可测纸带运动的时间和位移．下面是没有按操作顺序写的不完整的实验步骤，按照你对实验的理解，在各步骤空白处填上适当的内容，然后按实际操作的合理步骤，将各步骤的字母代号顺序写在空白处．
A．在电磁打点计时器的两接线柱上分别接上导线，导线的另一端分别接在低压 电源的两个接线柱上．
B．把电磁打点计时器固定在桌子上，让纸带穿过 ，并压在 下面．
C．用刻度尺测量从计时开始点到最后一个点间的距离．
D．切断电源，取下纸带，如果共有n个清晰的点，则这段纸带记录的时间 　 ．
E．打开电源开关，再用手水平地拉动纸带，纸带上打下一系列小点．
F．利用公式计算纸带运动的平均速度．
实验步骤的合理顺序是
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
【例2】某次实验用打点计时器交流电的频率为50Hz，纸带的记录如图1－12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？
发散演习
1．如图1－13所示为某次实验中打出的一条实际大小的纸带，图中O为纸带运动的起始点，A为所选取的第一个计数点，O点到A点之间有部分点不清晰，用毫米刻度尺测量后可算出哪些物理量？你能做出哪些判断？
2．美国著名短跑运动员卡尔·刘易斯曾以9.86s跑完100m．在这次赛跑中，从起跑点算起每10m所用时间分别是：1.88s、1.08s、0.92s、0.89s、0.84s、0.84s、0.84s、0.83s，最后20m用了1.74s．从这组数据可以算出，他跑完100m的平均速度是______m/s，平均速度最小的是第______个10m，平均速度最大的是第________个10m．大致描绘他跑100m的v-t图象．
创新能力训练
1．运动物体拉动穿过打点计时器的纸带，纸带上打下一系列小点，打点计时器打下的点直接记录了（ ）
A．物体运动的时间
B．物体在不同时刻的位置
C．物体在不同时刻的速度
D．物体在不同时间内的位移
2．使用电磁打点计时器时，纸带应穿过 ，复写纸片应套在 上，并要放在纸带的 面；打点时应 接通电源， 释放纸带．根据图1－15所示的打点计时器构造图，指出各主要部件的名称：
①____________，②____________，
③____________，④____________，
⑤____________，⑥____________，⑦____________，
⑧____________，⑨____________
３
２
１
０
F
E
图1－10
D
C
B
A
乙甲
甲
N
SN
SN
N
_
+
_
+
图1－9
图1－8
纸带
振片
线圈
永久磁铁
限位孔
振针
复写纸
图1－7
墨粉纸盘
导电片
纸盘轴
放电针
纸条1
纸条2
弹簧片
图1－11
压纸条
图1－6
电源插头
脉冲输出开关
正脉冲输出
插座（红色）
负脉冲输出插座（黑色）
墨粉
纸轴
纸盘轴
纸带
1
2
O
A
B
1.30
C
D
E
F
G
3.45
6.34
10.08
14.40
19.55
单位:cm
图1－12
O
A
B
C
D
E
F
G
图1－13
图1－15
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