粤教版（2019）高中物理 必修第一册 第1章 第4节　测量直线运动物体的瞬时速度学案

第四节　测量直线运动物体的瞬时速度
学习目标：1.[物理观念]知道打点计时器、数字计时器，并会使用．　2.[科学思维]掌握三种计时器的使用方法，能用它们测量瞬时速度，能解决相关实际问题．　3.[科学探究]学会探究测量瞬时速度的方法，通过与他人交流合作，提高实验探究能力．　4.[科学态度与责任]通过利用三种计时器对瞬时速度的测量，实事求是，激发学习的兴趣．
阅读本节教材，回答第20页的“讨论与交流”并梳理必要的知识点．
教材P20“讨论与交流”提示：
1．直流电源不能使振针周期性的上下振动打点．
2．T＝ s＝0.012 5 s，即每0.012 5 s打下一个点．
一、打点计时器及其使用
1．打点计时器：一种通过在纸带上打出一系列的点来记录物体运动信息的仪器．
2．分类：电火花计时器和电磁打点计时器．
3．电火花打点计时器
(1)工作电压：220 V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，产生火花放电，于是在运动的纸带上就打出一系列点迹．
4．电磁打点计时器
(1)工作电压：4～6 V交流电源．
(2)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．这时如果纸带运动，振针就通过复写纸在纸带上留下一系列小点．
5．打点间隔：当电源频率是50 Hz时，纸带上每打出两个相邻点所经历的时间都是 0.02 s.
注意：打点计时器不能长时间连续工作，纸带通过后应立即关闭开关．
二、数字计时器
1．计时装置的组成
由数字计时器和光电门组成的计时测量装置，如图所示．
2．光电门
由发光装置(红外发光二极管)和光线接收装置(光敏元件)构成．光敏元件接收由发光装置发出的光线，通常处于被照亮的状态．
3．计时器
有两个输入插口与光电门相连．
4．计时原理
当宽度一定的物体通过光电门时，光线被挡，光敏元件处于暗状态，向数字计时器发出脉冲信号，触发数字计时器开始计时，遮光结束(物体通过)停止计时，这样就记录下物体遮挡一个光电门光线的短暂时间．
数字计时器还可以记录物体经过两个光电门之间的时间，即任一光电门第一次遮光时开始计时，第二次遮光时停止计时，计时器显示的是两次遮光之间的时间(物体先后通过两个光电门之间的时间)．
说明：数字计时器能测量出小到1 ms或0.1 ms的时间间隔，计时更精确灵敏．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)电磁打点计时器和电火花打点计时器的工作电压都是220 V的交变电压． (×)
(2)使用打点计时器(电源频率为50 Hz)打出的纸带相邻两个点的时间间隔为0.02 s． (√)
(3)打点计时器在纸带上准确记录了运动物体的位移和时间． (√)
(4)数字计时器不能记录物体前后两次挡光的时间间隔． (×)
2．关于打点计时器的使用，说法正确的是(　　)
A．电磁打点计时器使用的是6 V以下的直流电源
B．在测量物体速度时，先让物体运动，后接通打点计时器的电源
C．使用的电源频率越高，打点的时间间隔就越小
D．纸带上打的点越密，说明物体运动得越快
C　[打点计时器使用的是交流电源，其中电磁打点计时器的工作电压是4～6 V，电火花计时器的工作电压是220 V，A错误；使用的交流电源频率f越高，打点的时间间隔Δt就越小(因Δt＝)，C正确；使用时先接通打点计时器的电源，再让物体运动，B错误；物体运动得越快，纸带上打的点就越稀疏，D错误．]
3．(多选)下列关于打点计时器的说法中，正确的是(　　)
A．使用的交流电的频率如果不是50 Hz，打点计时器的打点周期依然是0.02 s
B．电火花计时器是利用火花放电的原理来工作的
C．我国中学实验室用的打点计时器直接接到实验台的插座上使用，这种打点计时器是电磁打点计时器
D．从减小实验误差的角度考虑，选电火花计时器比电磁打点计时器好
BD　[打点计时器的周期等于频率的倒数，使用交流电的频率如果不是50 Hz，则打点的周期不再是0.02 s，故A错误；我国使用的是220 V交流电，所以直接接到实验台的插座上使用的打点计时器应该是电火花计时器，选项C错误；电火花计时器利用的是火花放电的原理来工作的，使用时摩擦较电磁打点计时器小，有利于减小实验误差，选项B、D正确．]
打点计时器及其使用
电磁打点计时器是应用电磁铁的原理，让振针周期性的振动，通过复写纸在纸带上打下点迹，来记录物体运动情况．
请探究：
(1)电磁打点计时器和电火花打点计时器各使用什么电源？
(2)如果电磁打点计时器打的点不清晰，总结是什么原因？
提示：(1)电磁打点计时器用4～6 V交流电源，电火花打点计时器用220 V交流电源．
(2)打点不清晰可能是电压太低，调高电压就可以．
1．实验步骤
(1)了解电火花打点计时器的结构，然后把它固定在桌子上，纸带穿过限位孔，把纸带放在墨粉纸盘的下面．
(2)把计时器接到220 V的交流电源上．
(3)接通电源，用手水平地拉动纸带，纸带上就打出一行小点，随后立即关闭电源．
(4)取下纸带，从能看得清的某个点数起，数一数纸带上共有多少个点．如果共有n个点，则用Δt＝0.02×(n－1) s计算出纸带的运动时间Δt.
(5)用刻度尺测量出第一个点到第n个点的距离，在进行实验测量之前，自己设计一个表格，用来记录以上测量值．
2．注意事项
(1)使用电火花打点计时器时，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．
(2)使用打点计时器时，应使物体停在靠近打点计时器的位置．
(3)使用打点计时器打点时，应先接通电源，待打点计时器打点稳定之后，再拉动纸带，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(可统一测量出各个测量点到起始测量点O之间的距离)．
(5)区别计时点和计数点
①计时点是打点计时器在纸带上打出来的点．
②计数点是从计时点中选出来的具有代表性的点，一般相邻两个计数点之间还有若干个计时点．计数点一般不是从第一计时点开始的，而是选择点迹清晰、与相邻的计时点间距适中的点开始．
(6)区别打点周期和计数周期
①打点周期：两个相邻的计时点的时间间隔，即交流电源的周期，一般为0.02 s.
②计数周期：两个相邻的计数点的时间间隔，若相邻两个计数点之间还有(n－1)个计时点，则计数周期为T＝0.02n s.
【例1】　(1)电磁打点计时器是一种利用______电源的计时仪器，它的工作电压是______V，当电源频率是50 Hz时，它每隔________s打一次点．
(2)使用电磁打点计时器时，纸带应穿过________，复写纸应套在________上，并要放在纸带的________面；应把________电源用导线接在__________上；打点时应先__________，再让纸带运动．
(3)(多选)打点计时器在纸带上的点迹，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．物体在不同时间内的位移
D．物体在不同时刻的速度
[思路点拨]　电磁打点计器用低压交流电源，每0.02 s打下一个点，纸带上直接记录的信息是时间和位置．
[解析]　电磁打点计时器是一种利用交流电源的计时仪器，工作电压为6 V，工作频率为50 Hz，周期为0.02 s．电火花打点计时器和电磁打点计时器都是每隔0.02 s在纸带上打一次点，因此打在纸带上的点迹可直接反映物体的运动时间，故A正确；因为纸带跟运动物体连在一起，打点计时器固定，所以纸带上的点迹就相应地记录了物体在不同时刻的位置，故B正确；用刻度尺量出各点迹间的间隔，可知道物体在不同时间内的位移，再根据速度公式可算出物体在某段时间内的速度，但这些量不是纸带上的点迹直接记录的，故C、D错误．
[答案]　(1)交流　6　0.02　(2)限位孔　定位轴　上　低压交流　接线柱　接通电源　(3)AB
由纸带记录的信息
(1)打点计时器是一种计时仪器，它有具体的工作电压，从打出的纸带上可以直接获得物体运动的时间及不同时刻的位置信息．
(2)电火花打点计时器和电磁打点计时器虽然所用电源电压不同，但如果工作电压的频率为50 Hz，则打点周期均为T＝0.02 s.
上题第(2)问中一条打出的纸带如图所示，如果每5个点下面计一个数，这些标数字的点称为计数点．则两个相邻计数点间的时间间隔为多大？
[解析]　由图中得出相邻两个计数点之间还有4个计时点，故t＝5T＝5×0.02 s＝0.1 s.
[答案]　0.1 s
[跟进训练]
1．(多选)关于打点计时器的使用，下列说法正确的是(　　)
A．先接通电源，后释放纸带
B．电火花打点计时器使用的是220 V交流电源
C．使用的电源频率越高，打点的时间间隔就越长
D．先释放纸带或先接通电源都可以
AB　[为了增加纸带的使用率，应先接通电源，后释放纸带，A正确，D错误；电火花打点计时器使用的是220 V交流电源，故B正确；因为T＝，所以使用的电源频率越高，打点的时间间隔就越短，C错误．]
数字计时器
光电计时器是一种常用计时仪器，其结构如图所示，a、b分别是光电门激光的发射和接收装置，当一辆带有挡光片的小车从a、b间通过时，光电计时器就可以显示挡光片的挡光时间．
请探究：
(1)如何计算小车通过光电门的瞬时速度大小？
(2)若挡光片宽d＝1.20 cm，计时器显示挡光时间是2×10－2 s，则小车通过光电门时的速度大小？
提示：(1)用平均速度代替瞬时速度．
(2)由速度公式得v＝＝ m/s＝0.6 m/s.
使用数字计时器应该注意的问题
(1)实验前应先调整发光器件和光敏元件的相对位置，因为如果二者没有对准，则不能计时．
(2)根据实验要求正确选择数字计时器的计时功能．
【例2】　如图所示用光电计时器研究物体的直线运动.1和2是固定在斜面上适当位置的两个光电门，让滑块从斜面的顶端滑下，光电门1、2各自连接的光电计时器显示的挡光时间分别为5.00×10－2 s、2.00×10－2 s．则：
(1)能否由此确定滑块由光电门1运动到光电门2的时间？
(2)滑块通过光电门1时和通过光电门2时相比较，通过哪个位置时更快一些？
[思路点拨]　根据平均速度大小来确定物体运动的快慢．
[解析]　(1)光电计时器显示的挡光时间为滑块各自通过光电门1、光电门2的时间，不能由此确定滑块由光电门1运动到光电门2的时间．
(2)滑块宽度一定，滑块通过光电门时挡光时间越短，滑块运动得越快．
[答案]　(1)不能　(2)通过光电门2时更快些．
[跟进训练]
2．关于数字计时器的说法正确的是(　　)
A．数字计时器只能记录物体通过一个光电门的时间
B．数字计时器能记录物体通过一个光电门的位移
C．数字计时器能记录物体先后两次经过光电门之间的时间
D．数字计时器不能记录物体先后两次经过光电门之间的时间
C　[数字计时器既可记录物体通过一个光电门的时间，也可记录物体先后两次经过光电门之间的时间，但不能记录物体经过一个光电门的位移，故选项C正确．]
1．物理观念：三种计时器及工作特点．
2．科学思维：三种计时器的使用及纸带数据处理．
3．科学方法：代替法、实验法．
1．(多选)对电磁打点计时器和电火花打点计时器的有关说法中，正确的是(　　)
A．电磁打点计时器和电火花打点计时器都是使用交流电
B．两种打点计时器的打点频率与交流电源的频率一样
C．电火花计时器在纸带上打点是靠振针和复写纸
D．电磁打点计时器在纸带上打点是靠电火花和墨粉
AB　[电磁打点计时器使用6 V的交流电，电火花打点计时器使用220 V的交流电，A正确；两种打点计时器的打点频率都由交流电源的频率决定，B正确；电火花打点计时器在纸带上打点是靠电火花和墨粉，C错误；电磁打点计时器在纸带上打点是靠振针和复写纸，D错误．]
2．打点计时器所用的电源是50 Hz的交流电，其相邻点间的时间间隔是T，若纸带上共打出N个点，这条纸带上记录的时间为t，则下列各式正确的是(　　)
A．T＝0.1 s，t＝NT
B．T＝0.05 s，t＝(N－1)T
C．T＝0.02 s，t＝(N－1)T
D．T＝0.02 s，t＝NT
C　[电源频率f＝50 Hz，则相邻点间的时间间隔T＝＝ s＝0.02 s，纸带上共打出N个点，则有(N－1)个时间间隔，即t＝(N－1)T，故C正确．]
3．下列选项中是打点计时器打出的四条纸带，其中表示物体做匀速直线运动的是(　　)
B　[匀速直线运动中，相等位移所用的时间相等．打点计时器打出的点与点之间的时间都相同，只要点与点之间的距离相等，就可判断物体做匀速直线运动，故B正确．]
4．用铁架台将长木板倾斜支在水平桌面上，组成如图甲所示装置，研究木块沿斜面下滑的速度变化．所提供的仪器有长木板、木块、打点计时器(含纸带)、学生电源、米尺、铁架台及导线、开关等，图乙是打点计时器打出的一条纸带，纸带旁还给出了最小刻度为1 mm的刻度尺，刻度尺的零刻度线与O点对齐，A、B、C、D为四个相邻的计数点，相邻计数点间还有四个点未标出，打点计时器所用交流电源的频率是50 Hz.
(1)计数点A到O点的距离是________ mm.
(2)根据纸带可看出木块下滑的速度v的变化情况是________．
[解析]　(1)因为本实验刻度尺最小刻度为1 mm，根据读数原则应估读到0.1 mm，所以A到O点的距离是105.0 mm.(2)由题中数据知相同时间内木块的位移逐渐变大，所以速度变大．
[答案]　(1)105.0　(2)变大
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