高中物理 第2章 第2节 匀变速直线运动的实验探究备课资料 鲁科版必修1.doc

匀变速直线运动的实验探究-备课资料一、打点计时器的使用和纸带数据的处理 打点计时器的使用和调节： 例如：如图3-2-1为打点计时器的实物图，其中_为限位孔，_为振针，打点计时器使用_v的_电源，每打两个点的时间间隔为_s；若在某次实验中打出的纸带如图3-2-2所示，应怎样调节打点计时器? 图3-2-1 图3-2-2解析:打点计时器是一种计时仪器，它是通过被交变电流的磁场磁化的振动片和永久磁铁相互作用而振动，带动振针在纸带上打下一系列的等时间间隔的点来完成计时作用的.所以，打点计时器的工作电压只能是低压的(46 v)交变电压.正常工作情况下，打点计时器的打点周期、频率等于交变电压的周期和频率(我国市售交变电流的周期t=0.02 s，频率f=50 hz).由于振动片做的是受迫振动，只有当其固有频率和交变电流的频率相等时才会发生稳定的共振，从而在纸带上打下时间间隔均匀的、点迹清晰的一系列点子.若纸带上出现双点或漏点现象，就是振动片未发生共振造成的，可通过适当调整振动片的长度予以纠正.若振针过长或过短，也会使纸带上出现拖痕和点迹不清等现象，通过对症调整振针长度即可.对于该题，其答案应为：6，5，46，交流，0.02 m，使振针适当缩短一些. 另外，由于接通电源后需经一段时间振动片的振动才会稳定下来，故在所有使用打点计时器的实验中，一般都要先接通电源，再释放纸带.特别是在验证机械能守恒的实验中，不仅要先接通电源，还应找出第1、2点间隔约为2 mm的纸带进行测量. 纸带数据的测量和计算： 根据纸带数据计算的内容主要有计算打某一点时纸带运动的即时速度和纸带运动的加速度.其中即时速度计算的理论根据是做匀变速直线运动的物体某段时间内的平均速度等于该时间中间时刻的即时速度，即，加速度的计算公式为a=s/t2，式中s为连续相等的时间内的位移之差，t为计时周期(即上述连续相等的时间). 测量和计算纸带上数据时应注意以下几点：(1)对位移的测量往往不直接测两计数点间的距离，而是测量各计数点到原点o的距离，以减小对位移测量的相对误差.如图3-2-3选取了5段位移.（2）如果速度小，加速度也小，计时器在纸带上打下的点一定很密集，由于每段的位移都很小，直接用刻度尺测量每段的位移时会产生较大的相对误差，采取的措施往往是以每打五个点的时间作为一个计时单位，即每隔四个点取一个计数点.这时每相邻两计数点间对应的时间为5t(t为实验用交流电的周期).图3-2-3(3)求平均值的方法是减小偶然误差的有效方法.如果用测量的原始数据表示则为：a=(sn-s1)/t2，测量数据只有少数出现在公式中，故不能有效地减小实验误差.为克服这一缺点，实际中常用“逐差法”.s4-s1=3a1t2s5-s2=3a2t2s下标6-s3=3a3t2a=(a1+a2+a3)/3=(s6+s5+s4-s3-s2-s1)/33t2.例如:在测定匀变速直线运动的加速度的实验中，用打点计时器打出了一条纸带如图3-2-4所示.纸带上只画了几个计数点，每相邻两个计数点之间都有三个点未画出，图中还标出了其中两段距离的大小，由图3-2-4所示,因此可知小车加速度的大小是_m/s2.图3-2-4解析:因每两计数点之间还有3个点，故相邻计数点间对应的时间间隔t=0.024 s=0.08 s.由逐差法可得：a=(s4-s1)/3t2=2.31 m/s2.注意：(1)利用纸带数据作有关计算时应注意所取相邻计数点间对应的时间间隔与打点周期的区别和联系，正确算出相邻计数点间对应的时间间隔.(2)纸带上数据的单位可能与题目要求单位不同，实际计算中要注意换算.二、学法指导 第一个要注意的方面就是打点计时器用的是交流电，而非直流电，这虽然在一开始的时候就强调，但是还是会经常出现问题. 第二个要注意的就是它打每个点的间隔时间是0.02 s，但是我们通常是每隔五个点作为一个计数点，这样的话每两个点的时间间隔就变成了0.1 s，所以我们在处理问题的时候一定要看清楚. 第三个要注意的就是它的一些相关的公式，如计算加速度的公式、速度的公式、时间的公式等等，这些公式非常容易忘记或是混淆，我们应该经常记忆和应用，否则的话考试是肯定要吃亏的.三、打点计时器常见故障（1）接通电源，振动片不振动. 分析：电源不合要求.打点器正常工作额定电压为68 v交流电，电压过低，振动片不起振. 线圈断线.这种情况比较少见.若线圈断线，必须更换或重新绕制. 接线柱接触不良.接线时必须拧紧各接触点，防止造成松动导致电源不通.（2）接通电源，振动片振动，发出嗡嗡的响声，听不到清脆悦耳的嗒塔声. 分析：电压太低.可适当调高电压到正常工作时为止 振动片振幅小，说明振动片固有频率与交流工作电压频率不一致.振动片固有频率与它的长度及材料的弹性有关.振动片本身无变化，则与弹性材料有关.具体检修方法如下：接上4 v交流电压，反复仔细地调整两只固定螺钉，使其振幅达到最大，标准为能达到底板上.若调整固定螺钉不能达到上述要求，或共振点很难捕捉到，应更换振动片下面垫的橡胶垫片，因为橡胶垫片老化弹性变差.（3）接通电源拉动纸带，纸带上却打不着点（漏点）或者点迹不清楚. 分析：复写纸可能已破损、老化，可更换新的复写纸片.若复写纸片刚换上新的，仍然有上述现象，可能是打点针太短而造成的.适当旋动打点针上的小螺母，调整打点针的长度，使针点清晰为止.（4）接通电源，拉动纸带，纸带上打出来的点，两点距离大、两点距离小相间排列. 分析：若出现上述情况，说明打点计时器打点周期不稳定.其主要原因是振动系统的固有频率没有调到50 hz.可能出现下列情况： 振动片振动时与线圈框或磁铁相碰撞.解决办法调整振动位置及校正变形. 振动片固有频率与交流电频率不一致.此时适当松开紧固螺钉，试调一下螺丝（振动片的长度一般不需调正），直到振动片振幅达到最大为止. 打点针尖太尖.用砂纸将针尖磨钝一些.（一般旧的打点器不会出现这种情况）（5）接通电源拉动纸带，打出的点带尾巴或双点. 分析：这是由于打点针太长所造成的.应旋松打点针固定螺母进行适当调整.（6）接通电源拉动纸带，打出的点不是间隔清晰的点，而是间隔清晰的短划线. 分析：形成清晰的短划线，表示有足够的磁性，电压正常.只是由于振针与底板的间距偏小，当振动片与永磁体相互作用向下打点尚未抬起时，纸带在外力作用下，已被拖过一小段距离，在纸带上留下一条短划线.同(5)相似，适当调整打点针与打点底板的间距.（7）结果误差较大,主要原因是打点时阻力过大. 压纸框架压纸带过紧.调节压纸框架上的螺母，使松紧适度. 纸带边缘不整齐，纸带安装不正与限位孔耳壁相碰.调整好纸带. 复写纸不合要求.更换自己裁剪的复写纸时，一定要用打孔器打出周边圆