实验1 用打点计时器测量平均速度
[学习目标] 1.了解电磁打点计时器、电火花打点计时器的构造及工作原理并学会使用． 2.学会用打出的纸带求平均速度． 3.掌握测瞬时速度的方法，会用打出的纸带求瞬时速度． 4.能根据实验数据作出物体的速度—时间图像，并能根据图像分析物体的运动．
一、实验原理和方法
1．了解两种打点计时器
(1)打点计时器是记录做直线运动物体的位置和时间的仪器．
(2)电火花打点计时器
①构造：如图
②工作电压：220 V交流电源．
③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，产生火花放电，于是在运动的纸带上就打出一行点迹．
(3)电磁打点计时器
①构造：如图
②工作电压：6 V以下交流电源．
③原理：接通交流电源后，在线圈和永久磁铁的作用下，振片便振动起来，带动其上的振针上下振动，于是在纸带上留下一行点迹．
(4)打点周期
打点计时器一般接我国市用交流电，交流电频率为50 Hz，计时器每隔0.02 s打一次点．
2．利用纸带求平均速度
(1)利用刻度尺测量两计数点间的距离Δx.
(2)利用打点周期求出两计数点间的时间间隔Δt.
(3)根据公式v＝求出计数点间的平均速度．
二、实验器材
电火花计时器、纸带、墨粉纸盘、交流电源、小车、铁架台、木板、刻度尺．
三、实验步骤
1．如图所示，将木板固定在铁架台上，把电火花打点计时器安装在倾斜的木板上，把小车与纸带装好，接好220 V交流电源．
2．接通电源，将小车从斜面上由静止开始释放，纸带上就会打出一系列点迹．
3．关闭电源，取下纸带，每5个点(即以0.1 s为周期)标注一个计数点，如图所示．
四、分析与处理实验数据
1．测平均速度
用刻度尺测出n个点之间的距离Δx，n个点之间的时间间隔Δt＝(n－1)×0.02 s，根据平均速度＝算出小车在OB、AC、BD、CE、DF段的平均速度，填入表中．
2．测瞬时速度
取包含某一位置在内的一小段位移Δx，根据v＝测出这一段位移内的平均速度，用这个平均速度代表纸带经过该位置的瞬时速度．一般地，取以这个点为中间时刻的一段位移计算．
vD＝，T为两个计数点间的时间间隔．
3．利用v-t图像分析物体的运动
(1)v-t图像：用横轴表示时间t，纵轴表示速度v，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，即得到如图所示的v-t图像．
(2)v-t图像的意义
v-t图像能非常直观地反映速度随时间变化的情况，它并不是物体的运动轨迹．
五、误差分析
1．利用平均速度来代替计数点的瞬时速度自身造成系统误差．为减小此种误差，应取以计数点为中心的较小位移Δx来求平均速度．
2．测量计数点间的位移x带来误差．减小此误差的方法是一次测量完成，即一次测出各计数点到起始计数点O的距离，再分别计算出各计数点间的距离．
3．计数点间的时间Δt搞错．n个计数点间的时间间隔为Δt＝(n－1)×0.02 s，而非Δt＝n×0.02 s.
4．作v-t图像不用坐标纸、尺子，坐标单位选定的不合理，作图粗糙带来误差．
六、注意事项
1．打点前，应使物体停在靠近打点计时器的位置．
2．使用计时器打点时，应先接通电源，待打点计时器打点稳定后再释放小车．
3．使用电火花计时器时，应注意把纸带正确穿好，墨粉纸盘位于纸带上方；使用电磁打点计时器时，应让纸带穿过限位孔，压在复写纸下面．
4．使用电磁打点计时器时，如打出点较轻或是短线，应调整振针距复写纸的高度．
5．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．
6．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测量点到起始测量点O之间的距离)．读数时应估读到毫米的下一位.
【例1】 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)
[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．
[答案] 0.35 0.42 0.35
【例2】 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)
(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”)．
(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．
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如图所示直角坐标系中，并画出小车的瞬时速度随时间变化的关系图线．
[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：
[答案] (1)接通电源 释放纸带 (2)4 (3)0.400 0.479 0.560 (4)见解析图
使用打点计时器需要清楚的几个问题
(1)实验的注意事项要给予关注；
(2)对于电源无论是接通还是断开都是最先进行的；
(3)通过明确各点间隔的个数就可以明确时间；
(4)阻力来源于计时器与纸带的摩擦及空气阻力．
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( )
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
B [对于电源无论是接通还是断开都是先进行的，故选项B正确．]
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
B [10个点有9个时间间隔，每个间隔是1 s，故运动时间为9 s，选项B正确．]
3．一辆小车沿一条直线运动，车上放着盛水的滴漏，每隔2.0 s滴一滴水，水在车行驶的路面上留下水滴的痕迹如图所示，图中还放着一把刻度尺，其零刻度线与O点对齐，若从小车通过O点开始计时，则当滴下水滴G时，小车运动的时间为________s，AH段的平均速度为_______m/s(计算结果保留3位有效数字)．
[解析] 从小车经过O点开始计时到小车经过G点共有7个时间间隔，又每个时间间隔为2.0 s，则总时间为14.0 s，AH段的位移为x＝30.0 m，小车经过AH段的时间为tAH＝14.0 s，根据平均速度的公式＝得AH段的平均速度为≈2.14 m/s.
[答案] 14.0 2.14
4．如图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．
(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—时间图像．
[解析] (1)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
(2)根据题(1)表格中数据在直角坐标系中描点，然后连线得到图像如图所示．
[答案] (1)0.40 0.69 (2)见解析图
5．用气垫导轨和数字计时器能更精确地测量物体的瞬时速度．如图所示，滑块在牵引力作用下先后通过两个光电门，配套的数字毫秒计记录了遮光板通过第一个光电门的时间为Δt1＝0.29 s，通过第二个光电门的时间为Δt2＝0.11 s，已知遮光板的宽度为3.0 cm，则滑块通过第一个光电门的速度为________，通过第二个光电门的速度为________．(结果保留两位有效数字)
[解析] 滑块经过光电门的时间极短，可近似认为这段时间内的平均速度等于它的瞬时速度，则通过第一个光电门的速度v1＝＝≈0.10 m/s；通过第二个光电门的速度v2＝＝≈0.27 m/s.
[答案] 0.10 m/s 0.27 m/s
课件37张PPT。第一章 运动的描述实验1 用打点计时器测量平均速度Thank you for watching !
