【連載】物理：人教版-高中 必修1-4 實(shí)驗(yàn)：用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)速度 教學(xué)設(shè)計(jì) 教案2

課文原文（無(wú)）

教學(xué)準(zhǔn)備

教學(xué)目標(biāo)

1.了解電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、電火花計(jì)時(shí)器的構(gòu)造及工作原理，學(xué)會(huì)使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器.
2.掌握測(cè)瞬時(shí)速度的方法，會(huì)用打出的紙帶求瞬時(shí)速度.
3.理解速度隨時(shí)間的變化圖象，并能根據(jù)圖象分析物體的運(yùn)動(dòng)．

教學(xué)重難點(diǎn)

1.使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器.
2.測(cè)瞬時(shí)速度的方法，用打出的紙帶求瞬時(shí)速度.
3.速度隨時(shí)間的變化圖象，根據(jù)圖象分析物體的運(yùn)動(dòng)．

教學(xué)過(guò)程

[知識(shí)探究]

一、了解打點(diǎn)計(jì)時(shí)器

1．作用及分類

打點(diǎn)計(jì)時(shí)器是一種使用交流(填“交流”或“直流”)電源的計(jì)時(shí)儀器，當(dāng)電源頻率為50Hz時(shí)，它每隔0.02s打一次點(diǎn)．打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶配合，可以記錄物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間及在一段時(shí)間內(nèi)的位移．供高中學(xué)生實(shí)驗(yàn)用的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器有電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和電火花計(jì)時(shí)器兩種．

2．電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)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(dòng)起來(lái)，帶動(dòng)其上的振針上下振動(dòng)．這時(shí)，如果紙帶運(yùn)動(dòng)，振針就通過(guò)復(fù)寫(xiě)紙?jiān)诩垘狭粝乱恍行↑c(diǎn)．

3．電火花計(jì)時(shí)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(kāi)關(guān)時(shí)，計(jì)時(shí)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(dòng)的紙帶上就打出一 行點(diǎn)跡．

4．兩種打點(diǎn)計(jì)時(shí)器誤差比較

電火花計(jì)時(shí)器使用中對(duì)紙帶運(yùn)動(dòng)阻力極小，因而系統(tǒng)誤差較?。?/p>

二、練習(xí)使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器

1．實(shí)驗(yàn)步驟

(1)把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在桌子上并穿好紙帶．

(2)把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的兩個(gè)接線柱接到交流電源上(電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接6V低壓交流電，電火花計(jì)時(shí)器接220V交流電)．

(3)先接通電源開(kāi)關(guān)，再用手水平拉動(dòng)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(gè)點(diǎn)開(kāi)始，往后數(shù)出若干個(gè)點(diǎn)，如果共有n個(gè)點(diǎn)，那么n個(gè)點(diǎn)的間隔數(shù)為n－1個(gè)，則紙帶的運(yùn)動(dòng)時(shí)間Δt＝(n－ 1)×0.02s.

(5)用刻度尺測(cè)量出從開(kāi)始計(jì)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(jì)算 出紙帶在這段時(shí)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(jì)時(shí)器的位置．

(2 )打點(diǎn)時(shí)，應(yīng)先接通電源，待打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)穩(wěn)定后，再拉動(dòng)紙帶．

(3)打點(diǎn)之后應(yīng)立即關(guān)閉電源

(4)對(duì)紙帶進(jìn)行測(cè)量時(shí)，不要分段測(cè)量各段的位移，正確的做法是一次測(cè)量完畢(可先統(tǒng)一測(cè)量出各個(gè)測(cè)量點(diǎn)到起始測(cè)量點(diǎn)O之間的距離)．讀數(shù)時(shí)應(yīng)估讀到毫米的下一位．

三、用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量平均速度和瞬時(shí)速度

1．根據(jù)紙帶計(jì)算平均速度

用刻度尺測(cè)出n個(gè)點(diǎn)之間的間距Δx，n個(gè)點(diǎn)之間的時(shí)間Δt＝(n－1)×0.02s．則平均速度v＝Δx/Δt.

2．根據(jù)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器計(jì)算瞬時(shí)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(cè)出這一段位移內(nèi)的平均速度，用這個(gè)平均速度代表紙帶經(jīng)過(guò)該位置的瞬時(shí)速度．一般地，取以這個(gè)點(diǎn)為中間時(shí)刻的一段位移來(lái)計(jì)算．

如圖1所示，E點(diǎn)的瞬時(shí)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(gè)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(cè)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(jì)時(shí)器打點(diǎn)的周期為T，則A、B、C、D、……各點(diǎn)的瞬時(shí)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(dòng)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(jì)時(shí)點(diǎn)，比如可以間隔T＝0.1s(即每隔四個(gè)點(diǎn))取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，而計(jì)算計(jì)數(shù)點(diǎn)的瞬時(shí)速度時(shí)，Δx、Δt應(yīng)取此計(jì)數(shù)點(diǎn)前、后兩個(gè)點(diǎn)之間的位移和時(shí)間，即v＝(xn＋xn＋1)/2T.

四、用圖象表示速度

[問(wèn)題設(shè)計(jì)]

某同學(xué)根據(jù)打出的紙帶，算出的各計(jì)數(shù)點(diǎn)的速度見(jiàn)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(shí)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(dòng)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(dòng)，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(dòng)的軌跡．從v－t圖象中可知任意時(shí)刻速度的大小和方向．

(3)勻速直線運(yùn)動(dòng)的v－t圖象是與時(shí)間軸平行的直線．

[典例精析]

例1 　使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)應(yīng)注意(　　)

A．無(wú)論使用電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器還是電火花計(jì)時(shí)器，都應(yīng)該把紙帶穿過(guò)限位孔，再把套在軸上的復(fù)寫(xiě)紙壓在紙帶的上面

B．使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)應(yīng)先接通電源，再拉動(dòng)紙帶

C．使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，拉動(dòng)紙帶的方向應(yīng)與限位孔平行

D．打點(diǎn)計(jì)時(shí)器只能連續(xù)工作較短時(shí)間，打點(diǎn)之后要立即關(guān)閉電源

解析　電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用復(fù)寫(xiě)紙，電火花計(jì)時(shí)器不用復(fù)寫(xiě)紙，故A錯(cuò)；實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)當(dāng)先接通電源，再拉動(dòng)紙帶，故B正確；為減小摩擦，拉動(dòng)紙帶的方向應(yīng)當(dāng)與限位孔平行，故C正確；打點(diǎn)計(jì)時(shí)器不能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，故D正確．

答案　BCD

例2 　當(dāng)紙帶與運(yùn)動(dòng)物體連接時(shí)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出點(diǎn)跡，下列關(guān)于紙帶上點(diǎn)跡的說(shuō)法中正確的是(　　)

A．點(diǎn)跡記錄了物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間

B．點(diǎn)跡記錄了物體在不同時(shí)刻的位置和某段時(shí)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(dòng)情況

D．紙帶上的點(diǎn)越密，說(shuō)明物體運(yùn)動(dòng)得越快

解析　從打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的用途出發(fā)對(duì)選項(xiàng)進(jìn)行篩選．打點(diǎn)計(jì)時(shí)器每隔一定的時(shí)間打下一個(gè)點(diǎn)，因而點(diǎn)跡記錄了物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，也記錄了物體在不同時(shí)刻的位置和某段時(shí)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(dòng)情況，點(diǎn)跡越密物體運(yùn)動(dòng)越慢．

答案　ABC

例3 　如圖4所示是做“用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)速度”實(shí)驗(yàn)時(shí)得到的一條紙帶的一部分，從0點(diǎn)開(kāi)始依照打點(diǎn)的先后每?jī)蓚€(gè)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)依次標(biāo)為0、1、2、3、4、5、6……，現(xiàn)測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在打1、 2、3、4、5點(diǎn)時(shí)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(huà)出小車的速度—時(shí)間圖象，并說(shuō)明小車速度變化的特點(diǎn)．

圖5

解析　(1)某點(diǎn)的瞬時(shí)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(shí)：v1＝(x1＋x2)/4T≈1.20m/s，

打2點(diǎn)時(shí)：v2＝(x2＋x3)/4T≈1.00m/s，

打3點(diǎn)時(shí)：v3＝(x3＋x4)/4T＝0.80m/s，

打4點(diǎn)時(shí)：v4＝(x4＋x5)/4T≈0.60m/s，

打5點(diǎn)時(shí)：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(shí)間圖象．

由圖象可知，小車速度均勻減小．

答案　見(jiàn)解析

[自我檢測(cè)]

1.用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器可測(cè)紙帶運(yùn)動(dòng)的時(shí)間和位移．下面是沒(méi) 有按操作順序?qū)懙牟煌暾膶?shí)驗(yàn)步驟，按照你對(duì)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(hào)按順序?qū)懺诳瞻滋帲?/p>

A．在電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)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(gè)接線柱上．

B．把電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在桌子上，讓紙帶穿過(guò)，并壓在下面．

C．用刻度尺測(cè)量從計(jì)時(shí)開(kāi)始點(diǎn)到最后一個(gè)點(diǎn)間的距離Δx.

D．切斷電源，取下紙帶，如果共有n個(gè)清晰的點(diǎn) ，則這段紙帶記錄的時(shí)間Δt＝.

E．打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，再用手水平地拉動(dòng)紙帶，紙帶上打下一系列小點(diǎn)．

F．利用公式v＝Δx/Δt計(jì)算紙帶運(yùn)動(dòng)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(xiě)紙　(n－1)×0.02s　BAEDCF

2.打點(diǎn)計(jì)時(shí)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(cè)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(shí)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(duì)描述B點(diǎn)的瞬時(shí)速度來(lái)說(shuō)，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(shí)速度更接近于0.35m/s.

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