高一物理上冊必修1《用打點(diǎn)計時器測速度》教案【一】
教學(xué)準(zhǔn)備
教學(xué)目標(biāo)
1.了解電磁打點(diǎn)計時器、電火花計時器的構(gòu)造及工作原理，學(xué)會使用打點(diǎn)計時器.
2.掌握測瞬時速度的方法，會用打出的紙帶求瞬時速度.
3.理解速度隨時間的變化圖象，并能根據(jù)圖象分析物體的運(yùn)動.
教學(xué)重難點(diǎn)
1.使用打點(diǎn)計時器.
2.測瞬時速度的方法，用打出的紙帶求瞬時速度.
3.速度隨時間的變化圖象，根據(jù)圖象分析物體的運(yùn)動.
教學(xué)過程
[知識探究]
一、了解打點(diǎn)計時器
1.作用及分類
打點(diǎn)計時器是一種使用交流(填“交流”或“直流”)電源的計時儀器，當(dāng)電源頻率為50Hz時，它每隔0.02s打一次點(diǎn).打點(diǎn)計時器和紙帶配合，可以記錄物體運(yùn)動的時間及在一段時間內(nèi)的位移.供高中學(xué)生實(shí)驗(yàn)用的打點(diǎn)計時器有電磁打點(diǎn)計時器和電火花計時器兩種.
2.電磁打點(diǎn)計時器
(1)工作電壓：6V以下的交流(填“交流”或“直流”)電源.
(2)原理：接通電源后，在線圈和永久磁鐵的作用下，振片便振動起來，帶動其上的振針上下振動.這時，如果紙帶運(yùn)動，振針就通過復(fù)寫紙?jiān)诩垘狭粝乱恍行↑c(diǎn).
3.電火花計時器
(1)工作電壓：220V交流(填“交流”或“直流”)電源.
(2)原理：當(dāng)接通電源、按下脈沖輸出開關(guān)時，計時器發(fā)出的脈沖電流經(jīng)放電針、墨粉紙盤到紙盤軸，產(chǎn)生火花放電，于是在運(yùn)動的紙帶上就打出一 行點(diǎn)跡.
4.兩種打點(diǎn)計時器誤差比較
電火花計時器使用中對紙帶運(yùn)動阻力極小，因而系統(tǒng)誤差較小.
二、練習(xí)使用打點(diǎn)計時器
1.實(shí)驗(yàn)步驟
(1)把打點(diǎn)計時器固定在桌子上并穿好紙帶.
(2)把打點(diǎn)計時器的兩個接線柱接到交流電源上(電磁打點(diǎn)計時器接6V低壓交流電，電火花計時器接220V交流電).
(3)先接通電源開關(guān)，再用手水平拉動紙帶，紙帶上就打下一行小點(diǎn)，隨后立即關(guān)閉電源.
(4)取下紙帶，從能看得清的某個點(diǎn)開始，往后數(shù)出若干個點(diǎn)，如果共有n個點(diǎn)，那么n個點(diǎn)的間隔數(shù)為n-1個，則紙帶的運(yùn)動時間Δt=(n- 1)×0.02s.
(5)用刻度尺測量出從開始計數(shù)的點(diǎn)到最后的點(diǎn)間的距離Δx.
(6)利用公式v=Δx/Δt計算 出紙帶在這段時間內(nèi)的平均速度.
2.注意事項(xiàng)
(1)打點(diǎn)前應(yīng)把手停在靠近打點(diǎn)計時器的位置.
(2 )打點(diǎn)時，應(yīng)先接通電源，待打點(diǎn)計時器打點(diǎn)穩(wěn)定后，再拉動紙帶.
(3)打點(diǎn)之后應(yīng)立即關(guān)閉電源
(4)對紙帶進(jìn)行測量時，不要分段測量各段的位移，正確的做法是一次測量完畢(可先統(tǒng)一測量出各個測量點(diǎn)到起始測量點(diǎn)O之間的距離).讀數(shù)時應(yīng)估讀到毫米的下一位.
三、用打點(diǎn)計時器測量平均速度和瞬時速度
1.根據(jù)紙帶計算平均速度
用刻度尺測出n個點(diǎn)之間的間距Δx，n個點(diǎn)之間的時間Δt=(n-1)×0.02s.則平均速度v=Δx/Δt.
2.根據(jù)打點(diǎn)計時器計算瞬時速度
(1)原理：取包含某一位置在內(nèi)的一小段位移Δx，根據(jù)v=Δx/Δt測出這一段位移內(nèi)的平均速度，用這個平均速度代表紙帶經(jīng)過該位置的瞬時速度.一般地，取以這個點(diǎn)為中間時刻的一段位移來計算.
如圖1所示，E點(diǎn)的瞬時速度可用D、F兩點(diǎn)間的平均速度代表，即vE=Δx/Δt.
圖1
(2)數(shù)據(jù)處理：把紙帶上能看得清的某個點(diǎn)作為起始點(diǎn)O，以后的點(diǎn)分別標(biāo)上A、B、C、D、……，如圖2所示，依次測出各點(diǎn)到O點(diǎn)的距離，再算出OA、AB、BC、……的距離x 1、x2、x3、…….
圖2
若打點(diǎn)計時器打點(diǎn)的周期為T，則A、B、C、D、……各點(diǎn)的瞬時速度分別為：vA=(x1+x2)/2T、vB=(x2+x3)/2T、vC=(x3+x4)/2T、vD=(x4+x5)/2T、…….
把數(shù)據(jù)填入下表，根據(jù)數(shù)據(jù)判斷紙帶運(yùn)動速度的變化情況.
位置 A B C D E F G
v/(mos-1)
3.注意
為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，A、B、C、D……不一定是連續(xù)計時點(diǎn)，比如可以間隔T=0.1s(即每隔四個點(diǎn))取一個計數(shù)點(diǎn)，而計算計數(shù)點(diǎn)的瞬時速度時，Δx、Δt應(yīng)取此計數(shù)點(diǎn)前、后兩個點(diǎn)之間的位移和時間，即v=(xn+xn+1)/2T.
四、用圖象表示速度
[問題設(shè)計]
某同學(xué)根據(jù)打出的紙帶，算出的各計數(shù)點(diǎn)的速度見下表.
t/s 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
v/(mos-1) 0.70 0.90 1.10 1.15 1.20 1.23 1.40 1.30
(1)用橫軸表示時間t，縱軸表示速度v，建立平面直角坐標(biāo)系，在圖3中作出物體的v-t圖象.
圖3
(2)v-t圖象是不是質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的軌跡?從v-t圖象中可以知道哪些信息?
(3)若質(zhì)點(diǎn)做勻速直線運(yùn)動，其v-t圖象有什么特點(diǎn)?
答案 (1)
(2)v-t圖象不是質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的軌跡.從v-t圖象中可知任意時刻速度的大小和方向.
(3)勻速直線運(yùn)動的v-t圖象是與時間軸平行的直線.
[典例精析]
例1 使用打點(diǎn)計時器時應(yīng)注意( )
A.無論使用電磁打點(diǎn)計時器還是電火花計時器，都應(yīng)該把紙帶穿過限位孔，再把套在軸上的復(fù)寫紙壓在紙帶的上面
B.使用打點(diǎn)計時器時應(yīng)先接通電源，再拉動紙帶
C.使用打點(diǎn)計時器時，拉動紙帶的方向應(yīng)與限位孔平行
D.打點(diǎn)計時器只能連續(xù)工作較短時間，打點(diǎn)之后要立即關(guān)閉電源
解析 電磁打點(diǎn)計時器使用復(fù)寫紙，電火花計時器不用復(fù)寫紙，故A錯;實(shí)驗(yàn)時應(yīng)當(dāng)先接通電源，再拉動紙帶，故B正確;為減小摩擦，拉動紙帶的方向應(yīng)當(dāng)與限位孔平行，故C正確;打點(diǎn)計時器不能長時間連續(xù)工作，故D正確.
答案 BCD
例2 當(dāng)紙帶與運(yùn)動物體連接時，打點(diǎn)計時器在紙帶上打出點(diǎn)跡，下列關(guān)于紙帶上點(diǎn)跡的說法中正確的是( )
A.點(diǎn)跡記錄了物體運(yùn)動的時間
B.點(diǎn)跡記錄了物體在不同時刻的位置和某段時間內(nèi)的位移
C.紙帶上點(diǎn)跡的分布情況反映了物體的運(yùn)動情況
D.紙帶上的點(diǎn)越密，說明物體運(yùn)動得越快
解析 從打點(diǎn)計時器的用途出發(fā)對選項(xiàng)進(jìn)行篩選.打點(diǎn)計時器每隔一定的時間打下一個點(diǎn)，因而點(diǎn)跡記錄了物體運(yùn)動的時間，也記錄了物體在不同時刻的位置和某段時間內(nèi)的位移;紙帶上點(diǎn)跡的分布情況反映了物體的運(yùn)動情況，點(diǎn)跡越密物體運(yùn)動越慢.
答案 ABC
例3 如圖4所示是做“用打點(diǎn)計時器測速度”實(shí)驗(yàn)時得到的一條紙帶的一部分，從0點(diǎn)開始依照打點(diǎn)的先后每兩個點(diǎn)取一個計數(shù)點(diǎn)依次標(biāo)為0、1、2、3、4、5、6……，現(xiàn)測得0、1間的距離x1=5.18cm，1、2間的距離x2=4.40cm,2、3間的距離x3=3.62cm,3、4間的距離x4=2.78cm,4、5間的距離x5=2.00cm,5、6間的距離x6=1.22cm(每0.02s打一次點(diǎn)).
圖4
(1)根據(jù)測量數(shù)據(jù)，計算打點(diǎn)計時器在打1、 2、3、4、5點(diǎn)時的速度并填在下表中.
位置 1 2 3 4 5
v/(mos-1)
(2)根據(jù)(1)中表格，在圖5中畫出小車的速度—時間圖象，并說明小車速度變化的特點(diǎn).
圖5
解析 (1)某點(diǎn)的瞬時速度可用包含該點(diǎn)的一段位移內(nèi)的平均速度表示
打1點(diǎn)時：v1=(x1+x2)/4T≈1.20m/s，
打2點(diǎn)時：v2=(x2+x3)/4T≈1.00m/s，
打3點(diǎn)時：v3=(x3+x4)/4T=0.80m/s，
打4點(diǎn)時：v4=(x4+x5)/4T≈0.60m/s，
打5點(diǎn)時：v5=(x5+x6)/4T≈0.40m/s.
將數(shù)值填入表格中.
位置 1 2 3 4 5
v/(mos-1) 1.20 1.00 0.80 0.60 0.40
(2)描點(diǎn)并連線得小車的速度—時間圖象.
由圖象可知，小車速度均勻減小.
答案 見解析
[自我檢測]
1.用打點(diǎn)計時器可測紙帶運(yùn)動的時間和位移.下面是沒 有按操作順序?qū)懙牟煌暾膶?shí)驗(yàn)步驟，按照你對實(shí)驗(yàn)的理解，在各步驟空白處填上適當(dāng)?shù)膬?nèi)容，然后按實(shí)際操作的合理順序，將各步驟的字母代號按順序?qū)懺诳瞻滋?
A.在電磁打點(diǎn)計時器的兩接線柱上分別接上導(dǎo)線，導(dǎo)線的另一端分別接在低壓(選填“交流”或“直流”)電源的兩個接線柱上.
B.把電磁打點(diǎn)計時器固定在桌子上，讓紙帶穿過，并壓在下面.
C.用刻度尺測量從計時開始點(diǎn)到最后一個點(diǎn)間的距離Δx.
D.切斷電源，取下紙帶，如果共有n個清晰的點(diǎn) ，則這段紙帶記錄的時間Δt=.
E.打開電源開關(guān)，再用手水平地拉動紙帶，紙帶上打下一系列小點(diǎn).
F.利用公式v=Δx/Δt計算紙帶運(yùn)動的平均速度.
實(shí)驗(yàn)步驟的合理順序是.
答 案 交流 限位孔 復(fù)寫紙 (n-1)×0.02s BAEDCF
2.打點(diǎn)計時器所用電源的頻率為50Hz，某次實(shí)驗(yàn)中得到一條紙帶，用毫米刻度尺測出各點(diǎn)間的距離如圖6所示，則：AC=mm，AD=mm.那么由此可以算出紙帶在AC間的平均速度為m/s，紙帶在AD間的平均速度為 m/s;B點(diǎn)的瞬時速度更接近于m/s.
圖6
答案 14.0 25.0 0.35 0.42 0.35
解析 AC=14.0mm，AC間的平均速度為xAC/2T=14.0×10-32×0.02m/s=0.35 m/s;AD=25.0mm，AD間的平均速度為xAD/3T= 25.0×10-33×0.02m/s≈0.42 m/s.對描述B點(diǎn)的瞬時速度來說，AC段所取的位移間隔更小，更接近B點(diǎn)的真實(shí)速度，即B點(diǎn)的瞬時速度更接近于0.35m/s.
高一物理上冊必修1《用打點(diǎn)計時器測速度》教案【二】
教學(xué)準(zhǔn)備
教學(xué)目標(biāo)
1、知道打點(diǎn)計時器的構(gòu)造和原理，學(xué)會使用打點(diǎn)計時器，能根據(jù)打出的紙帶計算打幾個點(diǎn)所用的時間，會計算紙帶的平均速度，能根據(jù)紙帶粗略測量紙帶的瞬時速度，認(rèn)識v-t圖象，并能根據(jù)v-t圖象判斷物體的運(yùn)動情況。
2、通過速度測量過程的體驗(yàn)，領(lǐng)悟兩個方法：一是用圖象處理物理數(shù)據(jù)的方法;二是極限法或說無限趨近法，加強(qiáng)一個認(rèn)識，實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)理論的標(biāo)準(zhǔn)。
教學(xué)重難點(diǎn)
知道打點(diǎn)計時器的構(gòu)造和原理，學(xué)會使用打點(diǎn)計時器，能根據(jù)打出的紙帶計算打幾個點(diǎn)所用的時間，會計算紙帶的平均速度，能根據(jù)紙帶粗略測量紙帶的瞬時速度，認(rèn)識v-t圖象，并能根據(jù)v-t圖象判斷物體的運(yùn)動情況。
教學(xué)工具
教學(xué)課件
教學(xué)過程
實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：
1、仔細(xì)觀察電磁打點(diǎn)計時器和電火花計時器，對照課本，比較它們的異同。
2、兩類打點(diǎn)計時器的打點(diǎn)時間間隔是多少?
3、分析紙帶時，如何計算紙帶的平均速度。
4、嚴(yán)格地說，瞬時速度我們引進(jìn)測量出來的，你知道用什么方法求出的速度可以代替某點(diǎn)的瞬時速度嗎?
5、從器材上讀取的數(shù)據(jù)是原始數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)是寶貴的實(shí)驗(yàn)資料，要嚴(yán)肅對待，要整齊的記錄，妥善保存。
實(shí)驗(yàn)原理：
1、電磁打點(diǎn)計時器。電磁打點(diǎn)計時器是一種使用交流電源的計時儀器，工作電壓為4~6V。當(dāng)電源的頻率是50Hz時，它每隔0.02s打一個點(diǎn)。電磁打點(diǎn)計時器是應(yīng)用電磁原理制成的，圖1是它的工作原理圖。通電前，先在打點(diǎn)計時器上裝上紙帶，并把復(fù)寫紙片壓在紙帶上。然后把線圈與50Hz、4~6V的交流電源接通。這時，振片被磁化，在磁力作用下振動起來。每0.02s振針壓打復(fù)寫紙一次，被運(yùn)動物體拖著的紙帶上便記錄下一系列的點(diǎn)子，這些點(diǎn)相應(yīng)地表示運(yùn)動物體在不同時刻的位置，相鄰兩點(diǎn)間的時間間隔是0計時器 0.
02s。我們對紙帶上這些點(diǎn)之間的距離進(jìn)行測量，就可以定量地研究物體的運(yùn)動規(guī)律。
2、電火花計時器。電火花計時器是利用火花放電在紙帶上打出小孔而顯示出點(diǎn)跡的計時器，它的構(gòu)造如圖2所示。使用時，墨粉紙盤套在紙盤軸上，并夾在兩條白紙之間。當(dāng)接通用220V交流電源，按下脈沖輸出開頭時，計時器發(fā)出的脈沖電流經(jīng)接正極的放電針、墨粉紙盤到接到負(fù)極的紙盤火花放電，于是在運(yùn)動的紙帶1上打出一列點(diǎn)跡。當(dāng)電源頻率是50Hz時，它也是每隔0.02 s打一次點(diǎn)。
這種計時器工作時，紙帶運(yùn)動時受到的阻力小，實(shí)驗(yàn)誤差小。
上面介紹的兩種計時器打點(diǎn)的時間間隔都是T=0.02s，因此，打在紙帶上的點(diǎn)，記錄了紙帶運(yùn)動的時間。如果把紙帶跟運(yùn)動物體連接在一起，紙帶上的點(diǎn)子就相應(yīng)地表示出運(yùn)動物體在不同時刻的位置。研究紙帶上的點(diǎn)子之間的間隔，就可以了解運(yùn)動物體在不同時間里民生的位移，從而了解物體運(yùn)動的情況。
實(shí)驗(yàn)步驟：
1.把電火花計時器固定在桌子上，檢查墨粉紙盤是否已經(jīng)正確地套在紙盤軸上，檢查兩條白紙帶是否已經(jīng)正確地穿好，墨粉紙盤是否在兩條紙帶之間。
2.把計時器上的電源插頭在220V交流電源插座上。
3.按下脈沖輸出開頭，用手水平地拉動兩條紙帶，紙帶動上就打上一列車員小點(diǎn)。
4.取下紙帶，從能看得清規(guī)戒律的某個點(diǎn)數(shù)起，數(shù)一數(shù)紙帶上共有多少個點(diǎn)。如果共有n個點(diǎn)，點(diǎn)子的間隔數(shù)則為(n-1)個，用t=0.02(n-1)計算出紙帶的運(yùn)動時間t。
5.用刻度尺測量一下，打下這些點(diǎn)，紙帶通過的距離s 有多長
6.利用公式計算紙帶在這段時間內(nèi)的平均速度。把測量和計算的結(jié)果填入表一中。
7.選取一條點(diǎn)跡清晰便于分析的紙帶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
8.從能夠看清的某個點(diǎn)開始，每隔0.1s取一個點(diǎn)，在紙帶上用數(shù)字0，1，2 ….5標(biāo)出這些“測量點(diǎn)”，測量包括每個點(diǎn)的一段位移△x,記錄在表二中，同時記錄相對應(yīng)的時間，以測量該點(diǎn)的瞬時速度。
9.計算出各點(diǎn)附近的平均速度，把它當(dāng)作計時器打下這些點(diǎn)時的瞬時速度，填入表三中，點(diǎn)0作為計時的開始，即t=0。
10.以速度v為縱軸，以時間t為橫軸在坐標(biāo)紙上建立直角坐標(biāo)系，根據(jù)表二的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)軸上描點(diǎn)，將這些點(diǎn)用平滑的曲線連接起來。
11.通過曲線的走向大致看出手的速度變化規(guī)律，將你的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其他同學(xué)交流一下，說出你的體會。
12.重復(fù)以上步驟再做一次。
如果用電磁打點(diǎn)計時器，則實(shí)驗(yàn)步驟的前3步相應(yīng)地應(yīng)當(dāng)是：
1.把打點(diǎn)計時器固定在桌子上，讓紙帶穿過兩個限位孔，壓在復(fù)寫紙的下面。
2.把電磁打點(diǎn)計時器的兩個接線柱用導(dǎo)線分別與6V的低壓交流電源的接線柱相連接。
打開電源開關(guān)，用手水平地拉動紙帶，紙帶上就打出一列小點(diǎn)。
注意事項(xiàng)：
1.要認(rèn)清楚你使用了哪種類型的打點(diǎn)計時器，電磁打點(diǎn)計時器要使用10V以下的交流學(xué)生電源;而電火花計時器則直接使用220V的交變電流。
2.開頭的點(diǎn)跡很密集，這是由于先接通電源后拉動紙帶和開始時的速度比較慢而造成的，數(shù)點(diǎn)時不能從開始處數(shù)，而要向后看，從能夠看清的某個點(diǎn)開始。
3.如果數(shù)出了n個點(diǎn)，那么，他們的間隔數(shù)是(n-1)個。他們所用的運(yùn)動時間為(n-1)0.02s.
4.打點(diǎn)計時器要固定好，在使用時打點(diǎn)計時器不允許松動。
5.打點(diǎn)計時器打點(diǎn)結(jié)束時要立刻切斷電源。
6.要保證手每一次“水平地拉動紙帶”。
7.可以大致表示某包含點(diǎn)的瞬時速度，兩邊點(diǎn)離得越近算出的平均速度接近B點(diǎn)的瞬時速度，但過小的間距也會增大測量的誤差，應(yīng)根據(jù)課本中的例子仔細(xì)選取。
8.測量點(diǎn)要每隔0.1s選一個，即每隔六個點(diǎn)取一個點(diǎn)，而測量點(diǎn)的、的選取上應(yīng)取前一個點(diǎn)，后兩個點(diǎn)之間。即：v==。
9.建立坐標(biāo)系要根據(jù)實(shí)際情況取合適的單位，以便曲線能分布于大部分的坐標(biāo)系中。
怎樣描繪實(shí)驗(yàn)圖線
處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的常用方法之一是圖象法。運(yùn)用圖象法處理數(shù)據(jù)有許多優(yōu)點(diǎn)，例如，能比較直觀地表達(dá)物理規(guī)律，能夠減小偶然誤差對結(jié)果的影響，能夠較方便地獲得某些未經(jīng)測量或無法直接測量的物理量數(shù)值。這里我們著重介紹一下怎樣描繪實(shí)驗(yàn)圖線。
1.描繪圖線時，一般以橫坐標(biāo)代表自變量，以縱坐標(biāo)代表因變量，在軸的末端箭頭旁邊注明代表的物理量及其單位。例如，要描繪做勻速直線運(yùn)動物體珠速度圖象，即以時間為橫坐標(biāo)，以瞬時速度為縱坐標(biāo)，在縱軸和橫軸末端箭頭旁分別標(biāo)注。
1.根據(jù)測量的數(shù)據(jù)，選取適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)軸的標(biāo)度(即每格所代表的量值)，使橫軸與縱軸的全長(表示數(shù)據(jù)的最大值的長度)接近相等，圖線大約分布在以坐標(biāo)原點(diǎn)為頂點(diǎn)，以橫坐標(biāo)為一條邊角之間，并盡可能使最小分度與測量的準(zhǔn)確程度相一致。例如，在繪制速度圖象的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中(見上表)，最大數(shù)值為時刻，速度，我們在橫軸上取1格表示1s,在縱橫軸上取1格表示0.10m/s, 橫軸和縱軸的全長都占5格，且測量的準(zhǔn)確值在圖上也能確切標(biāo)出。當(dāng)圖線不通過坐標(biāo)原點(diǎn)時，坐標(biāo)的原點(diǎn)可以不從零開始，這樣可以使圖線分布勻稱。例如，上述速度圖象中，如果t=0,v0=0.20m/s,則v軸的原點(diǎn)可以從0.20開始。
課后習(xí)題
把這次實(shí)驗(yàn)的心得體會(成敗得失)寫在作業(yè)本上。
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教學(xué)準(zhǔn)備
教學(xué)目標(biāo)
1.了解電磁打點(diǎn)計時器、電火花計時器的構(gòu)造及工作原理，學(xué)會使用打點(diǎn)計時器.
2.掌握測瞬時速度的方法，會用打出的紙帶求瞬時速度.
3.理解速度隨時間的變化圖象，并能根據(jù)圖象分析物體的運(yùn)動.
教學(xué)重難點(diǎn)
1.使用打點(diǎn)計時器.
2.測瞬時速度的方法，用打出的紙帶求瞬時速度.
3.速度隨時間的變化圖象，根據(jù)圖象分析物體的運(yùn)動.
教學(xué)過程
[知識探究]
一、了解打點(diǎn)計時器
1.作用及分類
打點(diǎn)計時器是一種使用交流(填“交流”或“直流”)電源的計時儀器，當(dāng)電源頻率為50Hz時，它每隔0.02s打一次點(diǎn).打點(diǎn)計時器和紙帶配合，可以記錄物體運(yùn)動的時間及在一段時間內(nèi)的位移.供高中學(xué)生實(shí)驗(yàn)用的打點(diǎn)計時器有電磁打點(diǎn)計時器和電火花計時器兩種.
2.電磁打點(diǎn)計時器
(1)工作電壓：6V以下的交流(填“交流”或“直流”)電源.
(2)原理：接通電源后，在線圈和永久磁鐵的作用下，振片便振動起來，帶動其上的振針上下振動.這時，如果紙帶運(yùn)動，振針就通過復(fù)寫紙?jiān)诩垘狭粝乱恍行↑c(diǎn).
3.電火花計時器
(1)工作電壓：220V交流(填“交流”或“直流”)電源.
(2)原理：當(dāng)接通電源、按下脈沖輸出開關(guān)時，計時器發(fā)出的脈沖電流經(jīng)放電針、墨粉紙盤到紙盤軸，產(chǎn)生火花放電，于是在運(yùn)動的紙帶上就打出一 行點(diǎn)跡.
4.兩種打點(diǎn)計時器誤差比較
電火花計時器使用中對紙帶運(yùn)動阻力極小，因而系統(tǒng)誤差較小.
二、練習(xí)使用打點(diǎn)計時器
1.實(shí)驗(yàn)步驟
(1)把打點(diǎn)計時器固定在桌子上并穿好紙帶.
(2)把打點(diǎn)計時器的兩個接線柱接到交流電源上(電磁打點(diǎn)計時器接6V低壓交流電，電火花計時器接220V交流電).
(3)先接通電源開關(guān)，再用手水平拉動紙帶，紙帶上就打下一行小點(diǎn)，隨后立即關(guān)閉電源.
(4)取下紙帶，從能看得清的某個點(diǎn)開始，往后數(shù)出若干個點(diǎn)，如果共有n個點(diǎn)，那么n個點(diǎn)的間隔數(shù)為n-1個，則紙帶的運(yùn)動時間Δt=(n- 1)×0.02s.
(5)用刻度尺測量出從開始計數(shù)的點(diǎn)到最后的點(diǎn)間的距離Δx.
(6)利用公式v=Δx/Δt計算 出紙帶在這段時間內(nèi)的平均速度.
2.注意事項(xiàng)
(1)打點(diǎn)前應(yīng)把手停在靠近打點(diǎn)計時器的位置.
(2 )打點(diǎn)時，應(yīng)先接通電源，待打點(diǎn)計時器打點(diǎn)穩(wěn)定后，再拉動紙帶.
(3)打點(diǎn)之后應(yīng)立即關(guān)閉電源
(4)對紙帶進(jìn)行測量時，不要分段測量各段的位移，正確的做法是一次測量完畢(可先統(tǒng)一測量出各個測量點(diǎn)到起始測量點(diǎn)O之間的距離).讀數(shù)時應(yīng)估讀到毫米的下一位.
三、用打點(diǎn)計時器測量平均速度和瞬時速度
1.根據(jù)紙帶計算平均速度
用刻度尺測出n個點(diǎn)之間的間距Δx，n個點(diǎn)之間的時間Δt=(n-1)×0.02s.則平均速度v=Δx/Δt.
2.根據(jù)打點(diǎn)計時器計算瞬時速度
(1)原理：取包含某一位置在內(nèi)的一小段位移Δx，根據(jù)v=Δx/Δt測出這一段位移內(nèi)的平均速度，用這個平均速度代表紙帶經(jīng)過該位置的瞬時速度.一般地，取以這個點(diǎn)為中間時刻的一段位移來計算.
如圖1所示，E點(diǎn)的瞬時速度可用D、F兩點(diǎn)間的平均速度代表，即vE=Δx/Δt.
圖1
(2)數(shù)據(jù)處理：把紙帶上能看得清的某個點(diǎn)作為起始點(diǎn)O，以后的點(diǎn)分別標(biāo)上A、B、C、D、……，如圖2所示，依次測出各點(diǎn)到O點(diǎn)的距離，再算出OA、AB、BC、……的距離x 1、x2、x3、…….
圖2
若打點(diǎn)計時器打點(diǎn)的周期為T，則A、B、C、D、……各點(diǎn)的瞬時速度分別為：vA=(x1+x2)/2T、vB=(x2+x3)/2T、vC=(x3+x4)/2T、vD=(x4+x5)/2T、…….
把數(shù)據(jù)填入下表，根據(jù)數(shù)據(jù)判斷紙帶運(yùn)動速度的變化情況.
位置 A B C D E F G
v/(mos-1)
3.注意
為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，A、B、C、D……不一定是連續(xù)計時點(diǎn)，比如可以間隔T=0.1s(即每隔四個點(diǎn))取一個計數(shù)點(diǎn)，而計算計數(shù)點(diǎn)的瞬時速度時，Δx、Δt應(yīng)取此計數(shù)點(diǎn)前、后兩個點(diǎn)之間的位移和時間，即v=(xn+xn+1)/2T.
四、用圖象表示速度
[問題設(shè)計]
某同學(xué)根據(jù)打出的紙帶，算出的各計數(shù)點(diǎn)的速度見下表.
t/s 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
v/(mos-1) 0.70 0.90 1.10 1.15 1.20 1.23 1.40 1.30
(1)用橫軸表示時間t，縱軸表示速度v，建立平面直角坐標(biāo)系，在圖3中作出物體的v-t圖象.
圖3
(2)v-t圖象是不是質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的軌跡?從v-t圖象中可以知道哪些信息?
(3)若質(zhì)點(diǎn)做勻速直線運(yùn)動，其v-t圖象有什么特點(diǎn)?
答案 (1)
(2)v-t圖象不是質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的軌跡.從v-t圖象中可知任意時刻速度的大小和方向.
(3)勻速直線運(yùn)動的v-t圖象是與時間軸平行的直線.
[典例精析]
例1 使用打點(diǎn)計時器時應(yīng)注意( )
A.無論使用電磁打點(diǎn)計時器還是電火花計時器，都應(yīng)該把紙帶穿過限位孔，再把套在軸上的復(fù)寫紙壓在紙帶的上面
B.使用打點(diǎn)計時器時應(yīng)先接通電源，再拉動紙帶
C.使用打點(diǎn)計時器時，拉動紙帶的方向應(yīng)與限位孔平行
D.打點(diǎn)計時器只能連續(xù)工作較短時間，打點(diǎn)之后要立即關(guān)閉電源
解析 電磁打點(diǎn)計時器使用復(fù)寫紙，電火花計時器不用復(fù)寫紙，故A錯;實(shí)驗(yàn)時應(yīng)當(dāng)先接通電源，再拉動紙帶，故B正確;為減小摩擦，拉動紙帶的方向應(yīng)當(dāng)與限位孔平行，故C正確;打點(diǎn)計時器不能長時間連續(xù)工作，故D正確.
答案 BCD
例2 當(dāng)紙帶與運(yùn)動物體連接時，打點(diǎn)計時器在紙帶上打出點(diǎn)跡，下列關(guān)于紙帶上點(diǎn)跡的說法中正確的是( )
A.點(diǎn)跡記錄了物體運(yùn)動的時間
B.點(diǎn)跡記錄了物體在不同時刻的位置和某段時間內(nèi)的位移
C.紙帶上點(diǎn)跡的分布情況反映了物體的運(yùn)動情況
D.紙帶上的點(diǎn)越密，說明物體運(yùn)動得越快
解析 從打點(diǎn)計時器的用途出發(fā)對選項(xiàng)進(jìn)行篩選.打點(diǎn)計時器每隔一定的時間打下一個點(diǎn)，因而點(diǎn)跡記錄了物體運(yùn)動的時間，也記錄了物體在不同時刻的位置和某段時間內(nèi)的位移;紙帶上點(diǎn)跡的分布情況反映了物體的運(yùn)動情況，點(diǎn)跡越密物體運(yùn)動越慢.
答案 ABC
例3 如圖4所示是做“用打點(diǎn)計時器測速度”實(shí)驗(yàn)時得到的一條紙帶的一部分，從0點(diǎn)開始依照打點(diǎn)的先后每兩個點(diǎn)取一個計數(shù)點(diǎn)依次標(biāo)為0、1、2、3、4、5、6……，現(xiàn)測得0、1間的距離x1=5.18cm，1、2間的距離x2=4.40cm,2、3間的距離x3=3.62cm,3、4間的距離x4=2.78cm,4、5間的距離x5=2.00cm,5、6間的距離x6=1.22cm(每0.02s打一次點(diǎn)).
圖4
(1)根據(jù)測量數(shù)據(jù)，計算打點(diǎn)計時器在打1、 2、3、4、5點(diǎn)時的速度并填在下表中.
位置 1 2 3 4 5
v/(mos-1)
(2)根據(jù)(1)中表格，在圖5中畫出小車的速度—時間圖象，并說明小車速度變化的特點(diǎn).
圖5
解析 (1)某點(diǎn)的瞬時速度可用包含該點(diǎn)的一段位移內(nèi)的平均速度表示
打1點(diǎn)時：v1=(x1+x2)/4T≈1.20m/s，
打2點(diǎn)時：v2=(x2+x3)/4T≈1.00m/s，
打3點(diǎn)時：v3=(x3+x4)/4T=0.80m/s，
打4點(diǎn)時：v4=(x4+x5)/4T≈0.60m/s，
打5點(diǎn)時：v5=(x5+x6)/4T≈0.40m/s.
將數(shù)值填入表格中.
位置 1 2 3 4 5
v/(mos-1) 1.20 1.00 0.80 0.60 0.40
(2)描點(diǎn)并連線得小車的速度—時間圖象.
由圖象可知，小車速度均勻減小.
答案 見解析
[自我檢測]
1.用打點(diǎn)計時器可測紙帶運(yùn)動的時間和位移.下面是沒 有按操作順序?qū)懙牟煌暾膶?shí)驗(yàn)步驟，按照你對實(shí)驗(yàn)的理解，在各步驟空白處填上適當(dāng)?shù)膬?nèi)容，然后按實(shí)際操作的合理順序，將各步驟的字母代號按順序?qū)懺诳瞻滋?
A.在電磁打點(diǎn)計時器的兩接線柱上分別接上導(dǎo)線，導(dǎo)線的另一端分別接在低壓(選填“交流”或“直流”)電源的兩個接線柱上.
B.把電磁打點(diǎn)計時器固定在桌子上，讓紙帶穿過，并壓在下面.
C.用刻度尺測量從計時開始點(diǎn)到最后一個點(diǎn)間的距離Δx.
D.切斷電源，取下紙帶，如果共有n個清晰的點(diǎn) ，則這段紙帶記錄的時間Δt=.
E.打開電源開關(guān)，再用手水平地拉動紙帶，紙帶上打下一系列小點(diǎn).
F.利用公式v=Δx/Δt計算紙帶運(yùn)動的平均速度.
實(shí)驗(yàn)步驟的合理順序是.
答 案 交流 限位孔 復(fù)寫紙 (n-1)×0.02s BAEDCF
2.打點(diǎn)計時器所用電源的頻率為50Hz，某次實(shí)驗(yàn)中得到一條紙帶，用毫米刻度尺測出各點(diǎn)間的距離如圖6所示，則：AC=mm，AD=mm.那么由此可以算出紙帶在AC間的平均速度為m/s，紙帶在AD間的平均速度為 m/s;B點(diǎn)的瞬時速度更接近于m/s.
圖6
答案 14.0 25.0 0.35 0.42 0.35
解析 AC=14.0mm，AC間的平均速度為xAC/2T=14.0×10-32×0.02m/s=0.35 m/s;AD=25.0mm，AD間的平均速度為xAD/3T= 25.0×10-33×0.02m/s≈0.42 m/s.對描述B點(diǎn)的瞬時速度來說，AC段所取的位移間隔更小，更接近B點(diǎn)的真實(shí)速度，即B點(diǎn)的瞬時速度更接近于0.35m/s.
高一物理上冊必修1《用打點(diǎn)計時器測速度》教案【二】
教學(xué)準(zhǔn)備
教學(xué)目標(biāo)
1、知道打點(diǎn)計時器的構(gòu)造和原理，學(xué)會使用打點(diǎn)計時器，能根據(jù)打出的紙帶計算打幾個點(diǎn)所用的時間，會計算紙帶的平均速度，能根據(jù)紙帶粗略測量紙帶的瞬時速度，認(rèn)識v-t圖象，并能根據(jù)v-t圖象判斷物體的運(yùn)動情況。
2、通過速度測量過程的體驗(yàn)，領(lǐng)悟兩個方法：一是用圖象處理物理數(shù)據(jù)的方法;二是極限法或說無限趨近法，加強(qiáng)一個認(rèn)識，實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)理論的標(biāo)準(zhǔn)。
教學(xué)重難點(diǎn)
知道打點(diǎn)計時器的構(gòu)造和原理，學(xué)會使用打點(diǎn)計時器，能根據(jù)打出的紙帶計算打幾個點(diǎn)所用的時間，會計算紙帶的平均速度，能根據(jù)紙帶粗略測量紙帶的瞬時速度，認(rèn)識v-t圖象，并能根據(jù)v-t圖象判斷物體的運(yùn)動情況。
教學(xué)工具
教學(xué)課件
教學(xué)過程
實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：
1、仔細(xì)觀察電磁打點(diǎn)計時器和電火花計時器，對照課本，比較它們的異同。
2、兩類打點(diǎn)計時器的打點(diǎn)時間間隔是多少?
3、分析紙帶時，如何計算紙帶的平均速度。
4、嚴(yán)格地說，瞬時速度我們引進(jìn)測量出來的，你知道用什么方法求出的速度可以代替某點(diǎn)的瞬時速度嗎?
5、從器材上讀取的數(shù)據(jù)是原始數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)是寶貴的實(shí)驗(yàn)資料，要嚴(yán)肅對待，要整齊的記錄，妥善保存。
實(shí)驗(yàn)原理：
1、電磁打點(diǎn)計時器。電磁打點(diǎn)計時器是一種使用交流電源的計時儀器，工作電壓為4~6V。當(dāng)電源的頻率是50Hz時，它每隔0.02s打一個點(diǎn)。電磁打點(diǎn)計時器是應(yīng)用電磁原理制成的，圖1是它的工作原理圖。通電前，先在打點(diǎn)計時器上裝上紙帶，并把復(fù)寫紙片壓在紙帶上。然后把線圈與50Hz、4~6V的交流電源接通。這時，振片被磁化，在磁力作用下振動起來。每0.02s振針壓打復(fù)寫紙一次，被運(yùn)動物體拖著的紙帶上便記錄下一系列的點(diǎn)子，這些點(diǎn)相應(yīng)地表示運(yùn)動物體在不同時刻的位置，相鄰兩點(diǎn)間的時間間隔是0計時器 0.
02s。我們對紙帶上這些點(diǎn)之間的距離進(jìn)行測量，就可以定量地研究物體的運(yùn)動規(guī)律。
2、電火花計時器。電火花計時器是利用火花放電在紙帶上打出小孔而顯示出點(diǎn)跡的計時器，它的構(gòu)造如圖2所示。使用時，墨粉紙盤套在紙盤軸上，并夾在兩條白紙之間。當(dāng)接通用220V交流電源，按下脈沖輸出開頭時，計時器發(fā)出的脈沖電流經(jīng)接正極的放電針、墨粉紙盤到接到負(fù)極的紙盤火花放電，于是在運(yùn)動的紙帶1上打出一列點(diǎn)跡。當(dāng)電源頻率是50Hz時，它也是每隔0.02 s打一次點(diǎn)。
這種計時器工作時，紙帶運(yùn)動時受到的阻力小，實(shí)驗(yàn)誤差小。
上面介紹的兩種計時器打點(diǎn)的時間間隔都是T=0.02s，因此，打在紙帶上的點(diǎn)，記錄了紙帶運(yùn)動的時間。如果把紙帶跟運(yùn)動物體連接在一起，紙帶上的點(diǎn)子就相應(yīng)地表示出運(yùn)動物體在不同時刻的位置。研究紙帶上的點(diǎn)子之間的間隔，就可以了解運(yùn)動物體在不同時間里民生的位移，從而了解物體運(yùn)動的情況。
實(shí)驗(yàn)步驟：
1.把電火花計時器固定在桌子上，檢查墨粉紙盤是否已經(jīng)正確地套在紙盤軸上，檢查兩條白紙帶是否已經(jīng)正確地穿好，墨粉紙盤是否在兩條紙帶之間。
2.把計時器上的電源插頭在220V交流電源插座上。
3.按下脈沖輸出開頭，用手水平地拉動兩條紙帶，紙帶動上就打上一列車員小點(diǎn)。
4.取下紙帶，從能看得清規(guī)戒律的某個點(diǎn)數(shù)起，數(shù)一數(shù)紙帶上共有多少個點(diǎn)。如果共有n個點(diǎn)，點(diǎn)子的間隔數(shù)則為(n-1)個，用t=0.02(n-1)計算出紙帶的運(yùn)動時間t。
5.用刻度尺測量一下，打下這些點(diǎn)，紙帶通過的距離s 有多長
6.利用公式計算紙帶在這段時間內(nèi)的平均速度。把測量和計算的結(jié)果填入表一中。
7.選取一條點(diǎn)跡清晰便于分析的紙帶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
8.從能夠看清的某個點(diǎn)開始，每隔0.1s取一個點(diǎn)，在紙帶上用數(shù)字0，1，2 ….5標(biāo)出這些“測量點(diǎn)”，測量包括每個點(diǎn)的一段位移△x,記錄在表二中，同時記錄相對應(yīng)的時間，以測量該點(diǎn)的瞬時速度。
9.計算出各點(diǎn)附近的平均速度，把它當(dāng)作計時器打下這些點(diǎn)時的瞬時速度，填入表三中，點(diǎn)0作為計時的開始，即t=0。
10.以速度v為縱軸，以時間t為橫軸在坐標(biāo)紙上建立直角坐標(biāo)系，根據(jù)表二的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)軸上描點(diǎn)，將這些點(diǎn)用平滑的曲線連接起來。
11.通過曲線的走向大致看出手的速度變化規(guī)律，將你的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其他同學(xué)交流一下，說出你的體會。
12.重復(fù)以上步驟再做一次。
如果用電磁打點(diǎn)計時器，則實(shí)驗(yàn)步驟的前3步相應(yīng)地應(yīng)當(dāng)是：
1.把打點(diǎn)計時器固定在桌子上，讓紙帶穿過兩個限位孔，壓在復(fù)寫紙的下面。
2.把電磁打點(diǎn)計時器的兩個接線柱用導(dǎo)線分別與6V的低壓交流電源的接線柱相連接。
打開電源開關(guān)，用手水平地拉動紙帶，紙帶上就打出一列小點(diǎn)。
注意事項(xiàng)：
1.要認(rèn)清楚你使用了哪種類型的打點(diǎn)計時器，電磁打點(diǎn)計時器要使用10V以下的交流學(xué)生電源;而電火花計時器則直接使用220V的交變電流。
2.開頭的點(diǎn)跡很密集，這是由于先接通電源后拉動紙帶和開始時的速度比較慢而造成的，數(shù)點(diǎn)時不能從開始處數(shù)，而要向后看，從能夠看清的某個點(diǎn)開始。
3.如果數(shù)出了n個點(diǎn)，那么，他們的間隔數(shù)是(n-1)個。他們所用的運(yùn)動時間為(n-1)0.02s.
4.打點(diǎn)計時器要固定好，在使用時打點(diǎn)計時器不允許松動。
5.打點(diǎn)計時器打點(diǎn)結(jié)束時要立刻切斷電源。
6.要保證手每一次“水平地拉動紙帶”。
7.可以大致表示某包含點(diǎn)的瞬時速度，兩邊點(diǎn)離得越近算出的平均速度接近B點(diǎn)的瞬時速度，但過小的間距也會增大測量的誤差，應(yīng)根據(jù)課本中的例子仔細(xì)選取。
8.測量點(diǎn)要每隔0.1s選一個，即每隔六個點(diǎn)取一個點(diǎn)，而測量點(diǎn)的、的選取上應(yīng)取前一個點(diǎn)，后兩個點(diǎn)之間。即：v==。
9.建立坐標(biāo)系要根據(jù)實(shí)際情況取合適的單位，以便曲線能分布于大部分的坐標(biāo)系中。
怎樣描繪實(shí)驗(yàn)圖線
處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的常用方法之一是圖象法。運(yùn)用圖象法處理數(shù)據(jù)有許多優(yōu)點(diǎn)，例如，能比較直觀地表達(dá)物理規(guī)律，能夠減小偶然誤差對結(jié)果的影響，能夠較方便地獲得某些未經(jīng)測量或無法直接測量的物理量數(shù)值。這里我們著重介紹一下怎樣描繪實(shí)驗(yàn)圖線。
1.描繪圖線時，一般以橫坐標(biāo)代表自變量，以縱坐標(biāo)代表因變量，在軸的末端箭頭旁邊注明代表的物理量及其單位。例如，要描繪做勻速直線運(yùn)動物體珠速度圖象，即以時間為橫坐標(biāo)，以瞬時速度為縱坐標(biāo)，在縱軸和橫軸末端箭頭旁分別標(biāo)注。
1.根據(jù)測量的數(shù)據(jù)，選取適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)軸的標(biāo)度(即每格所代表的量值)，使橫軸與縱軸的全長(表示數(shù)據(jù)的最大值的長度)接近相等，圖線大約分布在以坐標(biāo)原點(diǎn)為頂點(diǎn)，以橫坐標(biāo)為一條邊角之間，并盡可能使最小分度與測量的準(zhǔn)確程度相一致。例如，在繪制速度圖象的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中(見上表)，最大數(shù)值為時刻，速度，我們在橫軸上取1格表示1s,在縱橫軸上取1格表示0.10m/s, 橫軸和縱軸的全長都占5格，且測量的準(zhǔn)確值在圖上也能確切標(biāo)出。當(dāng)圖線不通過坐標(biāo)原點(diǎn)時，坐標(biāo)的原點(diǎn)可以不從零開始，這樣可以使圖線分布勻稱。例如，上述速度圖象中，如果t=0,v0=0.20m/s,則v軸的原點(diǎn)可以從0.20開始。
課后習(xí)題
把這次實(shí)驗(yàn)的心得體會(成敗得失)寫在作業(yè)本上。
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