【連載】物理：人教版-高中 必修1-4 實驗：用打點計時器測速度 教學設(shè)計 教案2

課文原文（無）

教學準備

教學目標

1.了解電磁打點計時器、電火花計時器的構(gòu)造及工作原理，學會使用打點計時器.
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)圖象分析物體的運動．

教學重難點

1.使用打點計時器.
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)圖象分析物體的運動．

教學過程

[知識探究]

一、了解打點計時器

1．作用及分類

打點計時器是一種使用交流(填“交流”或“直流”)電源的計時儀器，當電源頻率為50Hz時，它每隔0.02s打一次點．打點計時器和紙帶配合，可以記錄物體運動的時間及在一段時間內(nèi)的位移．供高中學生實驗用的打點計時器有電磁打點計時器和電火花計時器兩種．

2．電磁打點計時器

(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，如果紙帶運動，振針就通過復寫紙在紙帶上留下一行小點．

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，于是在運動的紙帶上就打出一 行點跡．

4．兩種打點計時器誤差比較

電火花計時器使用中對紙帶運動阻力極小，因而系統(tǒng)誤差較?。?/p>

二、練習使用打點計時器

1．實驗步驟

(1)把打點計時器固定在桌子上并穿好紙帶．

(2)把打點計時器的兩個接線柱接到交流電源上(電磁打點計時器接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，隨后立即關(guān)閉電源．

(4)取下紙帶，從能看得清的某個點開始，往后數(shù)出若干個點，如果共有n個點，那么n個點的間隔數(shù)為n－1個，則紙帶的運動時間Δt＝(n－ 1)×0.02s.

(5)用刻度尺測量出從開始計數(shù)的點到最后的點間的距離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

(1)打點前應(yīng)把手停在靠近打點計時器的位置．

(2 )打點時，應(yīng)先接通電源，待打點計時器打點穩(wěn)定后，再拉動紙帶．

(3)打點之后應(yīng)立即關(guān)閉電源

(4)對紙帶進行測量時，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到起始測量點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個點之間的間距Δx，n個點之間的時間Δt＝(n－1)×0.02s．則平均速度v＝Δx/Δt.

2．根據(jù)打點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，取以這個點為中間時刻的一段位移來計算．

如圖1所示，E點的瞬時速度可用D、F兩點間的平均速度代表，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作為起始點O，以后的點分別標上A、B、C、D、……，如圖2所示，依次測出各點到O點的距離，再算出OA、AB、BC、……的距離x 1、x2、x3、…….

圖2

若打點計時器打點的周期為T，則A、B、C、D、……各點的瞬時速度分別為：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

為了減小實驗誤差，A、B、C、D……不一定是連續(xù)計時點，比如可以間隔T＝0.1s(即每隔四個點)取一個計數(shù)點，而計算計數(shù)點的瞬時速度時，Δx、Δt應(yīng)取此計數(shù)點前、后兩個點之間的位移和時間，即v＝(xn＋xn＋1)/2T.

四、用圖象表示速度

[問題設(shè)計]

某同學根據(jù)打出的紙帶，算出的各計數(shù)點的速度見下表.

    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)點運動的軌跡？從v－t圖象中可以知道哪些信息？

(3)若質(zhì)點做勻速直線運動，其v－t圖象有什么特點？

答案　(1)

(2)v－t圖象不是質(zhì)點運動的軌跡．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 　使用打點計時器時應(yīng)注意(　　)

A．無論使用電磁打點計時器還是電火花計時器，都應(yīng)該把紙帶穿過限位孔，再把套在軸上的復寫紙壓在紙帶的上面

B．使用打點計時器時應(yīng)先接通電源，再拉動紙帶

C．使用打點計時器時，拉動紙帶的方向應(yīng)與限位孔平行

D．打點計時器只能連續(xù)工作較短時間，打點之后要立即關(guān)閉電源

解析　電磁打點計時器使用復寫紙，電火花計時器不用復寫紙，故A錯；實驗時應(yīng)當先接通電源，再拉動紙帶，故B正確；為減小摩擦，拉動紙帶的方向應(yīng)當與限位孔平行，故C正確；打點計時器不能長時間連續(xù)工作，故D正確．

答案　BCD

例2 　當紙帶與運動物體連接時，打點計時器在紙帶上打出點跡，下列關(guān)于紙帶上點跡的說法中正確的是(　　)

A．點跡記錄了物體運動的時間

B．點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．紙帶上點跡的分布情況反映了物體的運動情況

D．紙帶上的點越密，說明物體運動得越快

解析　從打點計時器的用途出發(fā)對選項進行篩選．打點計時器每隔一定的時間打下一個點，因而點跡記錄了物體運動的時間，也記錄了物體在不同時刻的位置和某段時間內(nèi)的位移；紙帶上點跡的分布情況反映了物體的運動情況，點跡越密物體運動越慢．

答案　ABC

例3 　如圖4所示是做“用打點計時器測速度”實驗時得到的一條紙帶的一部分，從0點開始依照打點的先后每兩個點取一個計數(shù)點依次標為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)．

圖4

(1)根據(jù)測量數(shù)據(jù)，計算打點計時器在打1、 2、3、4、5點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．

圖5

解析　(1)某點的瞬時速度可用包含該點的一段位移內(nèi)的平均速度表示

打1點時：v1＝(x1＋x2)/4T≈1.20m/s，

打2點時：v2＝(x2＋x3)/4T≈1.00m/s，

打3點時：v3＝(x3＋x4)/4T＝0.80m/s，

打4點時：v4＝(x4＋x5)/4T≈0.60m/s，

打5點時：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.用打點計時器可測紙帶運動的時間和位移．下面是沒 有按操作順序?qū)懙牟煌暾膶嶒灢襟E，按照你對實驗的理解，在各步驟空白處填上適當?shù)膬?nèi)容，然后按實際操作的合理順序，將各步驟的字母代號按順序?qū)懺诳瞻滋帲?/p>

A．在電磁打點計時器的兩接線柱上分別接上導線，導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到最后一個點間的距離Δx.

D．切斷電源，取下紙帶，如果共有n個清晰的點 ，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．

F．利用公式v＝Δx/Δt計算紙帶運動的平均速度．

實驗步驟的合理順序是．

答 案　交流　限位孔　復寫紙　(n－1)×0.02s　BAEDCF

2.打點計時器所用電源的頻率為50Hz，某次實驗中得到一條紙帶，用毫米刻度尺測出各點間的距離如圖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點的瞬時速度來說，AC段所取的位移間隔更小，更接近B點的真實速度，即B點的瞬時速度更接近于0.35m/s.

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