（浙江专用）2016-2017高中物理 第一章 运动的描述（第3课时）实验：用打点计时器测速度教师用书 新人教版必修1.doc

第3课时实验：用打点计时器测速度研究学考明确要求知识内容用打点计时器测速度考试要求必考加试基本要求1.知道电磁打点(电火花)计时器的作用、外观结构及名称2知道打点计时器打相邻两个点的时间间隔，掌握电磁打点(电火花)计时器的使用方法3能设计“用打点计时器测速度”的实验记录表4会根据纸带上点迹的疏密判断速度的大小，并计算物体运动的平均速度5理解用平均速度表示瞬时速度所采用的思想方法，会用该思想方法计算瞬时速度6能运用实验数据描绘vt图象，并会根据画出的图象说明物体运动的快慢7会借助传感器测速度发展要求在计算瞬时速度时，会合理选取时间间隔说明1.不要求了解电磁打点(电火花)计时器的内部结构和技术细节2不要求理解用气垫导轨、光电门和数字计时器研究运动的原理基 础 梳 理1打点计时器的作用及分类打点计时器是一种使用交流(填“交流”或“直流”)电源的计时仪器，当电源频率为50 hz时，它每隔0.02_s打一次点，打点计时器和纸带配合，可以记录物体运动的时间及在一段时间内的位移，供高中学生实验用的计时器有电磁打点计时器和电火花计时器两种。2电磁打点计时器(1)工作电压：6_v以下的交流(填“交流”或“直流”)电源；(2)原理：接通交流电源后，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行小点。3电火花计时器(1)工作电压：220 v交流(填“交流”或“直流”)电源；(2)原理：当接通电源、按下脉冲输出开关时，计时器产生火花放电，于是在运动的纸带上就打出一行点迹。4两种计时器误差比较电火花计时器使用中对纸带运动阻力较小，因而系统误差较小。思考打点计时器打点时，打点计时器和纸带之间的摩擦会对物体的运动造成影响，用哪种打点计时器做实验时，实验误差更小呢？答案因为电火花打点计时器是靠电火花和墨粉来打点的，所以对纸带的运动带来的阻力很小，使系统误差更小。即 学 即 练1如图1所示是电火花计时器的示意图。电火花计时器和电磁打点计时器一样，工作时使用_(选填“交流”或“直流”)电源，当电源的频率是50 hz时，每隔_ s打一次点。其工作时的基本步骤如下：图1a当纸带完全通过电火花计时器后，立即关闭电源b将电火花计时器电源插头插入相应的电源插座c将纸带从墨粉纸盘下面穿过电火花计时器d接通开关，听到放电声，立即拖动纸带运动上述步骤正确的顺序是_。(按顺序填写步骤编号)解析电火花计时器的工作电压是220 v交流电，频率为50 hz时，打点时间间隔为0.02 s，工作时，应先接通电源后释放纸带，并且打完纸带后应立即关闭电源，所以正确的顺序是cbda。答案交流0.02cbda基 础 梳 理1实验步骤(1)把打点计时器固定在桌子上并穿好纸带。(2)把打点计时器的两个接线柱接到交流电源上(电磁打点计时器接6 v低压交流电，电火花计时器接220 v交流电)。(3)先接通电源开关，再用手水平拉动纸带，纸带上就打下一行小点，随后立即关闭电源。(4)取下纸带，从能看得清的某个点开始，往后数出若干个点，如果共有n个点，那么n个点的间隔数为(n1)个，则纸带的运动时间t(n1)0.02 s。(5)用刻度尺测量出从开始计数的点到最后的点间的距离x。(6)根据纸带计算平均速度用刻度尺测出n个点之间的间距x，n个点之间的时间t(n1)0.02_s。则平均速度v。(7)根据打点计时器计算瞬时速度原理：取包含某一位置在内的一小段位移x，根据v测出这一段位移内的平均速度，用这个平均速度代表纸带经过该位置的瞬时速度。一般地，取以这个点为中间时刻的一段位移来计算。如图2所示，e点的瞬时速度可用d、f两点间的平均速度代表，即ve。图2数据处理；把纸带上能看得清的某个点作为起始点o，以后的点分别标上a、b、c、d、，如图3所示，依次测出各点到o点的距离，再算出oa、ab、bc、的距离x1、x2、x3、。图3若打点计时器打点的周期为t，则a、b、c、d、各点的瞬时速度分别为：va、vb、vc、vd、。把数据填入下表，根据数据判断纸带运动速度的变化情况。位置abcdefgv/(ms1)2.注意为了减小实验误差，a、b、c、d不一定是连续计时点，比如可以间隔t0.1 s(即每隔四个点)取一个计数点，而计算计数点的瞬时速度时，x、t应取此计数点前、后两个点之间的位移和时间，即v。典 例 精 析【例1】 某次实验打点计时器使用的交流电的频率为50 hz，纸带的记录如图4所示，图中o点为纸带的第一个点，接下来的前几个点模糊，因此从a点开始每打五个点取一个计数点：图4(1)推测纸带的运动是加速运动还是减速运动？_。(2)在打出a、f这两点的时间间隔中，纸带运动平均速度是_。(3)b点的瞬时速度为_。解析(1)从a点开始各相邻计数点间的时间间隔为t0.025 s0.1 s，每隔0.1 s纸带运动的位移分别是x12.15 cm、x22.89 cm、x33.74 cm、x44.32 cm、x55.15 cm，说明纸带做加速运动。(2)a、f间纸带运动的平均速度为 m/s0.365 m/s(3)b点的瞬时速度可以用ac段的平均速度表示，故vbac m/s0.252 m/s。答案(1)加速运动(2)0.365 m/s(3)0.252 m/s技巧点拨该题考查应用“极限”的思想求物体的瞬时速度，其平均速度可由求出，求瞬时速度时，应当取包含该点的尽可能短的时间间隔，由平均速度代替瞬时速度。即 学 即 练2如图5所示是一位同学用手拉动纸带通过电磁打点计时器打出的一条纸带，在纸带旁边附着一把毫米刻度尺，电磁打点计时器每隔0.02 s打一个点。根据纸带上点的排列情况可判定，手拉动纸带时，手的运动速度怎样变化：_；由a到c这段距离内手运动的平均速度为_ m/s，打c点时手拉动纸带的速度约为_ m/s。图5解析纸带上点距先增大后变小，手和纸带速度先变大后变小；由a到c这段距离内手运动的平均速度为 cm/s17.5 cm/s0.175 m/s，打下c点时，纸带的瞬时速度可以用前后两点间的平均速度表示，即 cm/s40 cm/s0.40 m/s。答案先变大，后变小0.1750.40基 础 梳 理1vt图象用横轴表示时间t，纵轴表示速度v，建立直角坐标系。根据测量的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，即可得到vt图象。根据图象形状判断物体的运动状态。2vt图象的意义vt图象非常直观地反映了速度随时间变化的情况，它并不是物体运动的轨迹。3匀速直线运动的vt图象匀速直线运动的vt图象是与时间轴平行的直线，如图6所示，直线a，b分别表示va4 m/s，vb8 m/s。图64图象法是处理实验数据的常用方法之一。运用图象法处理数据有许多优点，例如，能比较直观地表达物理规律，能够减小偶然误差对实验结果的影响，能够较方便地获得某些未测量或无法直接测量的物理量。思考如图7所示是某质点做直线运动的vt图象，试回答：图7(1)ab、bc、cd段质点分别做什么运动？(2)质点在5 s末的速度多大？解析(1)根据题中vt图象可知在ab段速度随时间不断增加，所以ab段表示质点做加速运动；在bc段速度不随时间而变化，所以bc段表示质点做匀速运动；在cd段速度随时间不断减少，所以cd段表示质点做减速运动。(2)质点在5 s末的速度由题中vt图象可知是15 m/s。答案(1)ab段表示质点做加速运动；bc段表示质点做匀速运动；cd段表示质点做减速运动。(2)15 m/s典 例 精 析【例2】 在“用打点计时器测速度”的实验中，打点计时器使用的交流电源的频率为50 hz，记录小车运动的一段纸带如图8所示，在纸带上选择a、b、c、d、e、f六个计数点，相邻两个计数点之间还有四个点未画出。图8(1)由纸带提供的数据求出打c、e点时小车的速度并填入下表：计数点序号bcde计数点对应的时刻t/s00.10.20.3小车的速度v/(ms1)0.250.45(2)根据上表中的数据，在下图中作出小车运动的vt图象。解析(1)用一段时间内的平均速度代替中间时刻的瞬时速度，则vc0.35 m/sve0.55 m/s(2)画出的vt图象应为一条倾斜的直线，如图所示。答案(1)0.350.55(2)如解析图所示即 学 即 练3汽车沿平直公路行驶，小明坐在驾驶员旁边注视速度计，并记下间隔相等时间的各时刻的速度值，如下表所示：t/s05101520253035404550v/(kmh1)20304050505050352050根据小明的记录内容，试完成下列问题：(1)从表中数据得到汽车在各段时间内速度的特点：在015 s内，汽车的速度在变化，每经过5 s速度增大_ km/h；在1530 s内汽车速度不变，速度大小为_ km/h；在3045 s内汽车速度在变化，每5 s速度减小_ km/h。(2)请根据表格中的数据，画出对应的vt图象。(3)如果认为在015 s内速度的变化是均匀的，你能在图象中找出汽车在7.5 s时的速度值吗？答案(1)105015(2)如图所示。(3)能，速度值为35 km/h。1如图9所示是某位同学练习使用打点计时器得到的纸带，纸带向左通过打点计时器，从点迹的分布情况可以看出；纸带_是匀速通过打点计时器的，纸带_是越走越快的，纸带_先是越走越快，后来是越走越慢。图9解析从打点计时器打好的纸带看，每相邻两个点迹之间的时间间隔相等，都是0.02 s，图甲中纸带相邻的点迹间的距离相等，说明这条纸带是匀速运动的。纸带乙的相邻的点迹间的距离越来越大，说明纸带的速度越来越快。纸带丙所描述的是相邻点迹间的距离先增大后减小，说明纸带运动是先快后慢的。答案甲乙丙2小明同学在学习了dis实验后，设计了一个测物体瞬时速度的实验，其装置如图10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，获得了如下几组实验数据。图10实验次序不同的挡光片通过光电门的时间/s速度/(ms1)第一次0.230 440.347第二次0.174 640.344第三次0.116 620.343第四次0.058 500.342则以下表述正确的是(多选)()a四个挡光片中，挡光片的宽度最小；b四个挡光片中，挡光片的宽度最小；c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；d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。解析若挡光片通过光电门的时间极短，可以用短程内的平均速度来表示挡光片通过光电门时的瞬时速度。相同速度下，通过光电门的时间越短，说明挡光片宽度越小。时间越短，则平均速度越接近瞬时速度。答案bd3图11是甲、乙两个物体运动的vt图象。图11(1)描述甲的运动：甲做_运动。(2)描述乙的运动：乙的初速度为_，在0t1内质点做_运动，t1t2内做匀速运动，t2t3做_运动，质点的速度方向_(填“发生”或“未发生”)发生变化。答案(1)匀速(2)零加速减速未发生4电磁打点计时器和电火花计时器都是使用_电源的计时仪器，电磁打点计时器工作的电压是_，电火花计时器工作的电压是_。当电源频率是50 hz时，每隔_打一个点。如图12所示为物体运动时打点计时器打出的一条纸带，图中相邻的点间还有四个点未标出，已知打点计时器接50 hz的交流电源，则ae段的平均速度为_ m/s，d点的瞬时速度约为_ m/s。图12解析电磁打点计时器和电火花计时器都是使用交流电源的计时仪器，电磁打点计时器的工作电压是6 v以下，电火花计时器的工作电压是220 v。当电源的频率是50 hz时，打点计时器的打点周期是0.02 s。当每5个点取1个计数点时，相邻两个计数点之间的时间间隔为t0.1 s，故ae段的平均速度为v m/s2.19 m/s，d点的瞬时速度最接近ce段的平均速度，故vd m/s3.28 m/s。答案交流6 v以下220 v0.02 s2.193.285一同学利用打点计时器打出的纸带分析小车的运动速度时，从几条纸带中选出了一条不