人教版高一物理必修一1.4实验：测量纸带的平均速度和瞬时速度 课件(41张PPT)

(共41张PPT)
第一章　运动的描述
第4节
实验：测量纸带的平均速度和瞬时速度
1.练习使用打点计时器;
一、实验目的
2.会利用打点计时器测量纸带的平均速度和瞬时速度。
1.打点计时器的原理及使用
电火花打点计时器
电磁打点计时器
结构
图示
?
?
工作电压
①
　
???
交流电
②
　
????
交流电
打点方式
周期性产生电火花
振针周期性上下振动
打点周期
③
　????
s
④
　
????
s
记录信息
位移、时间
二、实验原理
220
V?
4~6
V
0.02
0.02
2.测量纸带的平均速度和瞬时速度
(1)测量平均速度:如图所示是打点计时器打出的一条纸带示意图,测出D、G
间的位移和所用时间,利用v=⑤
?????????
计算平均速度。
(2)测量瞬时速度: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⑥
　
????
代表纸带经过该位置的瞬时速度。
如图所示,E点的瞬时速度可用DF段的平均速度代表,即vE=⑦
?????????
。
?
平均速度
三、实验步骤
1.练习使用打点计时器
(1)把电磁打点计时器固定在桌子上,让纸带穿过限位孔,压在复写纸下。
(2)把电磁打点计时器的两个接线柱用导线分别与电源的正负接线柱相连
接。
(3)打开电源开关,用手水平拉动纸带,纸带上就打下了许多小点。
(4)取下纸带,关闭电源,从能看得清的某个点数起,数一数纸带上共有多少个
点,如果有n个点,那么点的间隔数为(n-1),纸带的运动时间为0.02×(n-1)
s。
(5)用刻度尺测量从开始计数的一点到最后一点间的距离x。
2.利用纸带分析物体运动情况
(1)选取一条点迹清晰的纸带为研究对象。
(2)分析纸带上点与点间距的变化情况。
(3)若点与点之间的距离相等,就可判断物体做匀速直线运动,若点与点间距
越来越大,则物体做加速运动,反之做减速运动。
四、数据处理
1.练习使用打点计时器:在纸带上找出连续的6个点,分别标上A、B、C、D、
E、F,用刻度尺量出相邻两个点之间的距离x1、x2、x3、x4、x5,把数据填入表
中。
A和B的
距离x1/m
B和C的
距离x2/m
C和D的
距离x3/m
D和E的
距离x4/m
E和F的
距离x5/m
2.根据纸带求解物体运动的速度
(1)求解平均速度
根据v=?,求出任意两点间的平均速度。两点间的位移Δx可以用刻度尺测量
出,Δt为两点间的间隔数与单个时间间隔0.02
s的乘积。如图所示,将打好点
的纸带从能够看清的某个点开始,往后数出若干个点,比如共数出n个点,用刻
度尺测出第1个点到第n个点的距离Δx,并算出这n个点的时间间隔,则平均速
度?=?(T=0.02
s)。
?
(2)粗略计算瞬时速度
当一段位移Δx对应的时间Δt很小时,我们可用这段时间内的平均速度来表示
Δt中某一时刻的瞬时速度。如图所示,?可以大致表示C点的瞬时速度,即vC
=?,A、B两点离C点越近,算出的平均速度越接近于C点的瞬时速度。然
而A、B两点距离过小时,测量误差会增大,所以应根据实际情况选取这两个
点。
?
3.数据处理,画出v-t图像
(1)根据v=?计算出的速度可以代表在Δx这一段位移内任意一点的瞬时速
度,将数据填入表中。
位置
0
1
2
3
4
5
6
…
x/m
Δx/m
Δt/s
v/(m·s-1)
　　(2)建立平面直角坐标系,如图,根据测量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,即物体运动的v-t图像。
?
五、注意事项
1.如果在纸带上数出了n个点,那么,它们的间隔数是(n-1)个,它们的时间间隔
为(n-1)×0.02
s。
2.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后,再拉动纸
带。
3.手拉动纸带时速度应快一些,以防点迹太密集。
4.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。
5.为了减小实验误差,计数点要每隔T=0.1
s选一个,即每隔四个点取一个计数
点,而计算计数点的瞬时速度时,Δx、Δt应取此计数点前、后两个点之间的位
移和时间,即vn=?。
6.打点计时器不能连续工作太长时间,打完点之后应立即关闭电源。
7.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点O之间的距离)。读数时应估读到毫米
的下一位。
8.实验前要检查打点计时器打点的稳定性和清晰程度,必要时要进行调节或
更换器材。
典例1　(1)根据打点计时器打出的纸带,我们可以从纸带上直接得到的物理
量是?(　　)
A.时间间隔　　　　????B.位移
C.平均速度　?
??D.瞬时速度
(2)在“练习使用打点计时器”的实验中,某同学选出了一条清晰的纸带,如
图所示A、B、C、D、E、F、G是在纸带上所选的计数点,相邻计数点间的
时间间隔为0.1
s。则BD段的平均速度vBD=
　　　　　　????
m/s。(结果保留
2位有效数字)
要点一　实验原理和实验操作的考查
0.21
AB
解析　(1)打点计时器在纸带上每隔0.02
s打下一个点,点的间隔就反映了物
体的位置变化情况,所以可以从纸带上直接得到位移;通过数点的多少可以得
到运动的时间间隔。平均速度和瞬时速度都不能直接得到。故选A、B。
(2)BD段的平均速度为
vBD=?=?
m/s≈0.21
m/s
针对训练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
顺序且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顺序,将各步骤的字母代号按顺序写在空白
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
　　　　　????
(填“交流”或“直流”)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Δx。
交流
限位孔
复写纸
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Δt=
????
　　　　????
。
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
　　　　　????
。
(n-1)×0.02
s
BAEDCF
解析　电磁打点计时器使用低压交流电源,使用时应将纸带穿过电磁打点计
时器的限位孔,并放于复写纸的下方;纸带上记录的时间Δt=(n-1)×0.02
s,合理
的实验步骤为B、A、E、D、C、F。
典例2　如图是实验中得到的一条纸带,从0点开始每5个点取一个计数点(打
点计时器的电源频率是50
Hz),依照打点的先后依次编为1、2、3、4、5、6,
量得x1=1.22
cm,x2=2.00
cm,x3=2.78
cm,x4=3.62
cm,x5=4.40
cm,x6=5.18
cm。
?
(1)相邻两计数点间的时间间隔为T=
　　　　　　????
s。
(2)计数点2、4之间的平均速度v24=
　　　　　　????
m/s。
(3)打点计时器打计数点3时,纸带的速度大小v3=
　　　　　　????
m/s。
要点二　数据处理和误差分析的考查
0.1
0.32
0.32
解析　(1)两相邻计数点之间的时间间隔为T=5×0.02
s=0.1
s。
(2)根据平均速度的计算公式得
v24=?=?
m/s=0.32
m/s。
(3)由于计数点2、4之间的时间间隔比较小,所以打点计时器打计数点3时,纸
带的速度大小v3近似等于计数点2、4之间平均速度,即v3=v24=0.32
m/s。
思路点拨
　　解答本题应注意以下两点
(1)因为相邻两计数点间还有4个计时点,所以相邻计数点之间的时间间隔为
T=5×0.02
s=0.1
s。
(2)计数点3的瞬时速度近似等于计数点2、4之间的平均速度。
针对训练2　图1是用打点计时器测小车瞬时速度时得到的一条纸带的一部
分,从0点开始按照打点的先后依次标为0,1,2,3,4,5,6…现在量得0、1间的距
离x1=5.18
cm,1、2间的距离x2=4.40
cm,2、3间的距离x3=3.62
cm,3、4间的距
离x4=2.78
cm,4、5间的距离x5=2.00
cm,5、6间的距离x6=1.22
cm。(每0.02
s
打一次点)
?
图1
(1)在实验中,使用打点计时器时应先
　　　　　????
再
　　　　　????
(填
“释放纸带”或“启动电源”)。
启动电源
释放纸带
(3)根据(2)中表格,在图2中画出小车的v-t图像,并说明小车速度变化的特点。
图2
(2)根据上面的记录,计算打点计时器在打1、2、3、4、5点时小车的速度值
并填在表中。
位置
1
2
3
4
5
v/(m·s-1)
答案　(1)启动电源　释放纸带　(2)(3)见解析
解析　(1)在实验中,使用打点计时器时应该先接通电源,当打点稳定后再释
放纸带。
(2)某点的瞬时速度可用包含该点的一段位移内的平均速度表示,打相邻两计
数点的时间间隔Δt=2×0.02
s=0.04
s,则
打1点时:v1=?≈1.20
m/s
打2点时:v2=?≈1.00
m/s
打3点时:v3=?=0.80
m/s
打4点时:v4=?≈0.60
m/s
打5点时:v5=?≈0.40
m/s
(3)描点并连线得小车的v-t图像,如图所示,由图像可知,小车速度逐渐减小。
要点三　实验拓展
知识深化
如图所示,当滑块在导轨上运动时,光电计时器记录了遮光条通过光电门的时
间,而遮光条的宽度Δx已知,且非常小。由于滑块通过光电门的时间Δt非常
短,在这段时间内滑块的运动可以近似看作匀速直线运动,所以可认为遮光条
通过光电门时的瞬时速度等于其通过光电门的平均速度,即v=?。
1.工字钢底座　2.底脚螺丝　3.滑轮　4.光电门　5.导轨
6.遮光条　7.滑块　8.缓冲弹簧　9.连气源
典例3　如图所示,气垫导轨上滑块经过光电门时,其上的遮光条将光遮住,电
子计时器可自动记录遮光时间Δt。测得遮光条的宽度为Δx,用?近似代表滑
块通过光电门时的瞬时速度。为使?更接近瞬时速度,正确的措施是?(????　)
?
题组过关
A.换用宽度更窄的遮光条
B.换用宽度更宽的遮光条
C.提高测量遮光条宽度的精确度
D.使滑块的释放点更靠近光电门
A
解析????瞬时速度表示运动物体在某一时刻(或经过某一位置时)的速度,
当Δt→0时,?可看成物体的瞬时速度,Δx越小,Δt也就越小,A项正确,B项错误;
提高测量遮光条宽度的精确度,不能减小Δt,C项错误;使滑块的释放点更靠近
光电门,滑块通过光电门时的速度可能更小,时间更长,D项错误。
针对训练3　小明同学在学习了DIS实验后,设计了一个测小车瞬时速度的实
验,其装置如图所示。在小车上固定挡光片,使挡光片的前端与车头齐平,将
光电门传感器固定在轨道侧面,垫高轨道的一端。小明同学将小车从该端同
一位置由静止释放,获得了几组实验数据。
?
实验次数
挡光片
通过不同的挡光片的时间/s
通过光电门的速度/(m·s-1)
第一次
Ⅰ
0.230
44
0.347
第二次
Ⅱ
0.174
64
0.344
第三次
Ⅲ
0.116
62
0.343
第四次
Ⅳ
0.058
50
0.342
则以下表述正确的是?(　　)
①四个挡光片中,挡光片Ⅰ的宽度最小
②四个挡光片中,挡光片Ⅳ的宽度最小
③四次实验中,第一次实验测得的速度最接近小车车头到达光电门时的瞬时
速度
④四次实验中,第四次实验测得的速度最接近小车车头到达光电门时的瞬时
速度
A.①③　????B.②③　????C.①④　????D.②④
D
解析????由于小车从同一位置静止释放,那么到达光电门处的速度相同,从
通过光电门的时间来看,挡光片Ⅳ通过光电门的时间最短,则它的宽度最小,
这段时间内的平均速度也就越接近小车车头到达光电门处的瞬时速度,所以
D正确。
1.(多选)下列关于打点计时器的认识中,正确的是?(　　)
A.电磁打点计时器的工作电压是6
V,所以可以用4节1.5
V的干电池供电
B.电火花打点计时器使用的是220
V交流电源,可以直接接入生活用电
C.使用电火花打点计时器打点过程中,发现打的点迹很不清晰、颜色偏淡,则
可能需要更换新的墨粉纸盘
D.在使用打点计时器时,当接入电源频率为50
Hz时,则每隔0.02
s打一个点
课堂检测
BCD
解析????电磁打点计时器的工作电压为交流4~6
V,不能使用直流电源,
A错误;电火花打点计时器使用的是220
V交流电源,因此可以直接接入生活
用电,B正确;使用电火花打点计时器时,若打点痕迹不清晰,应更换新的墨粉
纸盘,C正确;打点周期和频率之间的关系为T=?,因此当接入电源频率为50
Hz时,打点周期为T=?
s=0.02
s,D正确。
2.在实验中,某同学得到一条打点清晰的纸带如图所示,要求测出D点的瞬时
速度。本实验采用包含D点在内的一段间隔中的平均速度来粗略代表D点的
瞬时速度,下列几种方法中最准确的是?(　　)
?
A.?=vD,Δt1=0.14
s　　B.?=vD,Δt2=0.1
s
C.?=vD,Δt3=0.08
s　　D.?=vD,Δt4=0.04
s
D
解析???求D点的瞬时速度,最准确的应是包含该点与该点相邻的两点之
间的平均速度。C选项错在时间间隔上,CE间的时间间隔应为0.04
s。
3.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　　　????。
0.10
m/s
0.27
m/s
解析　由于滑块经过光电门时遮光板的挡光时间较短,所以滑块经过光电门
的速度可用遮光板挡光时间内的平均速度表示。
经过第一个光电门的速度v1=?=?
m/s≈0.10
m/s,经过第二个光电门
的速度v2=?=?
m/s≈0.27
m/s。
4.如图所示是研究匀变速直线运动的实验中得到的一条纸带,舍去前面比较
密集的点,从0点开始每5个点取一个计数点:0、1、2、3、4、5、6,量得s1=1.
30
cm,s2=3.10
cm,s3=5.38
cm,s4=8.16
cm,s5=11.45
cm,s6=15.26
cm。
?
(1)计算打下1、2、3、4、5五个计数点时小车的瞬时速度的大小(要求保留3
位有效数字)。
(2)将1、2、3、4、5各个时刻的瞬时速度标在如图所示的直角坐标系中,并
画出小车的瞬时速度随时间变化的关系图线。
?
答案　(1)0.155
m/s　0.204
m/s　0.253
m/s　0.304
m/s　0.355
m/s
(2)如图所示
?
解析　(1)根据匀变速直线运动中中间时刻的速度等于该过程中的平均速度,
有:v1=?=?
m/s=0.155
m/s;v2=?=?
m/s=0.204
m/s;v3=
?=?
m/s=0.253
m/s;v4=?=?
m/s≈0.304
m/s;v5=
?=?
m/s=0.355
m/s。
(2)根据所求出的各时刻速度大小,采用描点法得出图像。