第一章第4节　实验：用打点计时器测速度

第 4 节 实验 用打点计时器测速度 一 实验目的 1 了解打点计时器的结构 原理及使用方法 2 学会用打点计时器测量物体的速度 3 能利用 v t 图象分析实验数据 描述物体的运动 二 实验原理 1 打点计时器的原理及使用 电火花计时器电磁打点计时器 结构图示 工作电压 220 V 交流电6 V 以下交流电 打点方式 周期性产生电火花振针周期性上下振动 打点周期0 02 s0 02 s 记录信息 位移 时间 2 测平均速度 瞬时速度的原理 跟运动物体连在一起的纸带上打出的点记录了物体 在不同时刻的位置 用刻度尺测出两个计数点间的位移 x 打两个点的时间可用 t n 1 0 02 s 求得 则平均速度 当 t 很短时 可以认为为 t 时刻的瞬时 v x t x t 速度 三 实验器材 电磁打点计时器 或电火花计时器 学生电源 电火花计时器使用 220 V 交流电源 刻 度尺 纸带 复写纸 导线 坐标纸等 四 实验步骤 1 了解打点计时器的结构 然后把它固定在桌子上 2 把电磁打点计时器的两个接线柱用导线与 6 V 的低压交流电源的接线柱相连接 让 纸带穿过两个限位孔 压在复写纸的下面 3 接通电源 用手水平地拉动纸带 纸带上就打出一行小点 随后立即关闭电源 4 取下纸带 从能看得清的某个点数起 数一数纸带上共有多少个点 如果共有 n 个 点 则用 t 0 02 n 1 s 计算出纸带的运动时间 t 5 用刻度尺测量一下打下这些点纸带通过的距离 x 利用公式 计算纸带在这 v x t 段时间内的平均速度 把测量和计算的结果填入表中 记录项 实验次数 点 数 n 点划分出 的间隔数 n 1 运动时间 t s 位移 x m 平均速度 m s 1 v 1 2 五 数据处理 1 用打点计时器测量瞬时速度 1 选取一条点迹清晰便于分析的纸带 2 从能够看清的某个点开始 每隔四个点取一个计数点 每两个计数点间的时间间隔 T 5 0 02 s 0 1 s 在纸带上用 O A B C D 标出这些 计数点 如图所示 用刻度尺依次测出 OA OB OC OD 的距离是 s1 s2 s3 s4 再利用 x1 s1 x2 s2 s1 x3 s3 s2 确定出 OA AB BC CD 之间的距离 x1 x2 x3 x4 3 A B C D 各点的瞬时速度分别为 vA vB vC vD x1 x2 2T x2 x3 2T x3 x4 2T x4 x5 2T 2 用 v t 图象描述物体的速度 1 v t 图象的画法 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 即得到如图所示的 v t 图 象 2 v t 图象的意义 v t 图象非常直观地表示速度随时间变化的情况 它不是物体运 动的轨迹 3 图象法是处理实验数据的常用方法 运用图象处理数据有许多优点 如可以使物理 规律直观易懂 可以减小误差 可以方便地获得某些未经测量或无法直接测量的物理数据 等 六 误差分析 1 利用平均速度来代替计数点的瞬时速度会带来系统误差 为减小误差 应取该计数 点前 后两计数点来求平均速度 2 分段测量计数点间的位移 x 带来误差 减小此误差的方法是一次测量完成 即一次 测出各计数点到起始计数点 O 的距离 再分别计算出各计数点间的距离 3 作 v t 图象不用坐标纸 尺子 坐标单位选定的不合理 作图粗糙带来误差 七 注意事项 1 实验前 应将打点计时器固定好 以免拉动纸带时晃动 并要先轻轻试拉纸带 应 无明显的阻滞现象 2 使用计时器打点时 应先接通电源 待打点计时器打点稳定后 再拉动纸带 3 手拉动纸带时速度应快一些 以防点迹太密集 4 使用电火花计时器时 应注意把纸带正确穿好 墨粉纸盘位于纸带上方 使用电磁 打点计时器时 应让纸带穿过限位孔 压在复写纸下面 5 为了减小实验误差 计数点要每隔 T 0 1 s 选一个 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 xn xn 1 2T 6 打点计时器不能连续工作太长时间 打点之后应立即关闭电源 7 对纸带进行测量时 不要分段测量各段的位移 正确的做法是一次测量完毕 可先 统一测量出各个测量点到起始测量点 O 之间的距离 读数时应估读到毫米的下一位 8 计数点间的时间 t 搞错 n 个计数点间的时间间隔为 t n 1 0 02 s 而非 t n 0 02 s 实验原理和实验操作 2017 温州高一检测 用打点计时器可测纸带运动的时间和位移 下面是没有按 操作顺序写的不完整的实验步骤 按照你对实验的理解 在各步骤空白处填上适当的内容 然后按实际操作的合理顺序 将各步骤的字母代号按顺序写在空白处 A 在电磁打点计时器的两接线柱上分别接上导线 导线的另一端分别接在低压 选填 交流 或 直流 电源的两个接线柱上 B 把电磁打点计时器固定在桌子上 让纸带穿过 并压在 下 面 C 用刻度尺测量从计时开始点到最后一个点间的距离 x D 切断电源 取下纸带 如果共有 n 个清晰的点 则这段纸带记录的时间 t E 打开电源开关 再用手水平地拉动纸带 纸带上打下一系列小点 F 利用公式 计算纸带运动的平均速度 v x t 实验步骤的合理顺序是 解析 A 中电磁打点计时器应使用低压交流电源 B 中应将纸带穿过电磁打点计时 器的限位孔 并放于复写纸的下方 D 中纸带上记录的时间 t n 1 0 02 s 合理的实 验步骤为 BAEDCF 答案 交流 电磁打点计时器的限位孔 复写纸 n 1 0 02 s BAEDCF 1 牢记两种打点计时器的工作电压 2 纸带应从复写纸下面穿过 3 先打开电源开关 让计时器打点 再让纸带运动 以后的实验中也是这样 实验数据处理 某同学在 用打点计时器测速度 的实验中 用打点计时器记录了被小车拖动 的纸带的运动情况 在纸带上确定出 A B C D E F G 共 7 个计数点 相邻计数点 间的距离如图甲所示 每两个相邻的计数点之间的时间间隔为 0 10 s 本题计算结果均保 留 3 位有效数字 1 在实验中 使用打点计时器时应先 再 选填 释放纸带 或 接通 电源 2 每两个计数点间还有 个点没有标出 3 试根据纸带上各个计数点间的距离 每隔 0 10 s 测一次速度 计算出打下 B C D 三个点时小车的瞬时速度 并将各个速度值填入下表 vBvCvDvEvF 数值 m s 0 6400 721 4 将 B C D E F 各个时刻的瞬时速度标在图乙直角坐标系中 并画出小车的瞬 时速度随时间变化的关系图线 解析 3 vB 0 400 m s vC xBC xAB 2t xCD xBC 2t 0 479 m s vD 0 560 m s xDE xCD 2t 4 如图所示 答案 1 接通电源 释放纸带 2 4 3 0 400 0 479 0 560 4 见解析图 1 求瞬时速度 取包含该点的尽可能短的时间间隔 应用 极限 的思想求物体的瞬 时速度 如若要求纸带上 B 点的速度 通常是求出 B 点前 后相邻两点 A C 间的平均速度 以此来代替 B 点的瞬时速度 2 图象法 图象法是处理实验数据的常用方法 运用图象处理数据有很多优点 但在 利用数据作图的过程中 由于存在偶然误差 画线时有些数据点要舍掉 以减小实验误 差 画图象时应把握以下三点 建立坐标系时 坐标原点 坐标轴表示的物理量及单位都要标注清楚 画速度 时间图象时 要用平滑的曲线将各个点连接起来 不能画折线 标度的选取要适当 尽量让图象占据坐标系的大部分空间 实验改进与创新 用如图所示的计时装置可以近似测出气垫导轨上滑块的瞬时速度 已知固定在 滑块上的遮光条的宽度为 4 0 mm 遮光条经过光电门的遮光时间为 0 040 s 则滑块经过光 电门位置时的速度大小为 A 0 10 m sB 100 m s C 4 0 m sD 0 40 m s 解析 遮光条经过光电门的遮光时间很短 所以可以把遮光条经过光电门的平均速 度当作滑块经过光电门位置时的瞬时速度 即 v m s 0 10 m s A 正 d t 4 0 10 3 0 040 确 答案 A 根据遮光条的宽度 x 和测出的时间 t 就可以算出遮光条通过光电门的平均速度 由于遮光条的宽度 x 很小 因此可以认为 这个平均速度就是滑块通过光电门的瞬 时速度 本题属于实验器材的创新 1 2017 郑州一中高一检测 电磁打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器 根据打 点计时器打出的纸带 不经计算 通过测量可以从纸带上直接得到的物理量是 A 时间间隔B 位移 C 平均速度D 瞬时速度 解析 选 B 时间间隔可以通过数纸带上所打点的个数经过计算得出 位移可以通过测 量纸带上所打点之间的距离得出 而平均速度或者瞬时速度都是依据实验数据通过计算得 出 故应选 B 2 多选 关于打点计时器的原理和使用方法 下列说法中正确的是 A 打点计时器应接交流电源 交流频率通常为 50 Hz B 如果纸带上相邻两个计数点之间有四个点 则相邻两个计数点间的时间间隔是 0 08 s C 如果打点计时器在纸带上打下的点先密集后稀疏 则说明纸带的速度由小变大 D 电磁打点计时器接在 220 V 电源上 电火花计时器接在 6 V 电源上 解析 选 AC 打点计时器使用交流电 电磁打点计时器使用 6 V 以下的低压交流电源 电火花计时器使用 220 V 交流电源 相邻两点的时间间隔是 0 02 s 3 多选 2017 滨州高一检测 对以下实验 仪器描述正确的是 A 电磁打点计时器和电火花计时器都使用交流电源 B 测量研究小车瞬时速度的实验中 为防止开始时纸带上点迹过于密集 要先使小 车运动 再给打点计时器通电 C 频闪照片中 某一段物体成像较密集 说明这一阶段运动相对较快 D 气垫导轨的优点 使滑块与导轨间有一层薄的空气层 大大减小了滑块运动中所 受的阻力 解析 选 AD 实验中 应先接通电源 后释放纸带 选项 B 错误 频闪照片中 物体 成像密集 说明物体运动较慢 选项 C 错误 4 如图所示 气垫导轨上滑块经过光电门时 其上的遮光条将光遮住 电子计时器可 自动记录遮光时间 t 测得遮光条的宽度为 x 用近似代表滑块通过光电门时的瞬时 x t 速度 为使更接近瞬时速度 正确的措施是 x t A 换用宽度更窄的遮光条 B 提高测量遮光条宽度的精确度 C 使滑块的释放点更靠近光电门 D 增大气垫导轨与水平面的夹角 解析 选 A 表示的是 t 时间内的平均速度 遮光条的宽度 x 越窄 则记录遮光时 x t 间 t 越小 越接近滑块通过光电门时的瞬时速度 选项 A 正确 x t 5 1 在做用打点计时器测速度的实验时 要用到打点计时器 打点计时器是一种计 时仪器 其电源频率为 50 Hz 常用的 电磁打点计时器 使用的电压是 V 的 选填 直流电 或 交流电 它每隔 s 打一个点 2 接通打点计时器电源和让纸带开始运动 这两个操作之间的时间顺序关系是 A 先接通电源 再让纸带运动 B 先让纸带运动 再接通电源 C 让纸带运动的同时接通电源 D 先让纸带运动或先接通电源都可以 3 在用打点计时器测定物体的速度 当电源频率低于 50 Hz 时 如果仍按 50 Hz 的时 间间隔打一个点计算 则测出的速度数值将比物体的真实数值 解析 1 电磁打点计时器的工作电压是 6 V 以下的交流电 一般是 4 6 V 打点间隔 为交流电的频率的倒数 当电源的频率是 50 Hz 时 打点周期是 0 02 s 2 使用打点计时器时 应先接通电源 让打点计时器工作 再让纸带运动使打点计时 器在上面打出点迹 故 A 项正确 3 当交流电的频率低于 50 Hz 时 打点计时器打一次点的时间间隔 t 将大于 0 02 s 利 用公式 计算时 t 取 0 02 s 时比真实值偏小 因此测出的速度将比真实值偏大 v x t 答案 1 4 6 交流电 0 02 2 A 3 偏大 6 2017 蚌埠高一检测 某同学在做 练习使用打点计时器 实验时打出的纸带如图所 示 每两点之间还有四个点没有画出来 图中上面的数字为相邻两点间的距离 打点计时 器的电源频率为 50 Hz 1 相邻两个计数点间的时间为 s 2 打计数点 4 时纸带的速度 v4 m s 保留三位有效数字 解析 1 每两个计数点间有 5 个打点间隔 所以 T 5 0 02 s 0 1 s 2 打计数点 4 时的瞬时速度近似等于 3 5 两点间的平均速度 所以 v4 0 11 0 129 2 0 1 m s 1 20 m s 答案 1 0 1 2 1 20 7 用气垫导轨和数字计时器更能精确地测量物体的瞬时速度 如图所示 滑块在牵引 力作用下先后通过两个光电门 配套的数字毫秒计记录了遮光板通过第一个光电门的时间 为 t1 0 29 s 通过第二个光电门的时间 t2 0 11 s 已知遮光板的宽度为 3 0 cm 分别 求滑块通过第一个光电门和第二个光电门的速度大小 解析 由于滑块经过光电门时遮光板的挡光时间较短 所以滑块经过光电门的速度可 用遮光板挡光时间内的平均速度表示 经过第一个光电门的速度大小 v1 m s 0 10 m s d t1 3 0 10 2 0 29