第四节实验：用打点计时器测量速度.doc

第四节 实验：用打点计时器测速度一、教学目标1知识与技能 了解打点计时器的计时原理，理解纸带中包含的运动的信息(时间、位移) 会安装并使用打点计时器，理解用纸带测量速度的原理并会测量瞬时速度。 明确速度-时间图象的物理意义，描点法画图象的方法，并能画出速度-时间图像，能从图像中获取有用的信息。2过程与方法 通过学生自己阅读打点计时器的说明书，尝试、探索计时器的原理和用法，培养学生独立学习的能力。 通过实验操作，获取物体的运动信息，并用适当的方法将其表述出来，从中培养学生获取信息、处理信息的能力，并领悟间接测量的思想方法。 通过速度-时间图象的描画，培养学生处理实验数据的能力，体验用数学工具处理物理问题的独特功能。(4) 经历科学探究过程，体验实验中理性思维的重要性，既要动手，更要动脑； 3情感态度与价值观 感受打点计时器的巧妙设计思路，体会物理原理在具体技术中的应用，增强将物理知识应用于生活实际的意识。 经历实验过程，体验实验设计与操作的艰辛和乐趣，培养学生实事求是的科学态度。体验用图象法描述物理现象的巧妙，培养学生应用数学知识的意识，从数与形的和谐互动中领略自然的奇妙，并培养学生敢于创新的科学精神。 通过实验的组织，实验过程中的师生、生生之间的合作交流，养成在合作中既坚持原则又尊重他人的习惯，培养学生将自己的见解与他人交流的意识与团结协作的精神。二、教学重点、难点1教学重点及其教学策略 教学重点：了解打点计时器的功能并学会使用；根据纸带计算瞬时速度；用描点法描绘速度、时间图象 教学策略：自学、阅读说明书；利用模拟实验、极限思维理解瞬时速度的测量原理；利用操作实践，动作记忆强化描点画图技能。2教学难点及其教学策略教学难点：打点计时的原理和纸带的处理方法教学策略：打点计时的原理不是本课的重点，重点在打点计时器的结构、功能与使用方法上，但原理涉及知识点多，如电磁学(电流的磁场、安培定则、磁化、磁极间互相作用)、交流电的周期、频率，交流电的图象等，技术设计思想巧妙，如应用得当不失为培养学生创造性应用知识、解决实际问题能力的一个好题材，因此可视学生情况决定是否在课堂上涉及此内容；涉及时可利用插图、动画等形象化教法进行讲授；也可由教师提供一定的背景资料(如计时器工作原理简图、交流电的图象、脉冲电压的图象等)，要求学生课后进行研究性学习，写一篇小短文，介绍计时器的工作原理，解释为什么当交流电源的频率为50HZ时，计时器就是每0.02s打一个点。在第二课上进行交流。要理解纸带的处理方法，关键在于通过模拟实验和分析让学生体会进而理解，纸带上每相邻两点间的时间总为0.02秒，与纸带的速度和纸带上点的疏密无关，由电源决定。相邻点间的距离取决于纸带的速度，纸带速度越快，距离越大；由于时间间隔0.02s、0.04s都极短，故可将这段时间内的平均速度看作是这段时间内各点的即时速度。三、设计思路思路分析：本实验是高中物理的第一个学生分组实验，故一方面必须在实验小组的组织上、实验基本操作规程的遵守上对学生提出严格要求，力求从一开始就让学生养成良好的实验习惯。另一方面又必须依照新课程的理念，放手让学生进行自主学习、自主探究，这就要求教师在进行教学设计时要处理好学生自主与教师指导之间的关系，找到“统”与“放”之间的平衡点，做到既不包办，又不放羊。设计思路：1创设问题情境，激发学生自主学习的热情，在课堂上让学生团结合作，自主进行观察、阅读、分析推理，动手操作。2教师则通过提出阅读问题、练习检查等方式突出教学的重点，潜在地引领学习的方向。另一方面通过参与讨论，点拨、指导、帮助学生克服学习障碍，从而实现成功的自主学习。创造宽松、民主的课堂氛围，真正实现三个维度的教学目标。 四、教学资源 文字资料：电磁式打点计时器工作原理图，交流电、脉冲电流的图象及文字介绍 实验器材：学生用：打点计时器各1、纸带2条、学生电源、刻度尺、坐标纸 演示用：底部开一小孔的滴水瓶， 多媒体教学设备一套及一个多媒体课件（打点计时器的结构与使用）五、教学设计教师活动学生活动点评导入新课演示视频：高速公路对车辆速度的限制：限制最低速度：限制最高速度：标牌：进入雷达测速区警察用测速仪测量车速的视频教师讲述：速度是物体运动的重要特征，在生活、生产中经常需要测量物体的运动速度。速度的测量方法可分为两种：直接测量，如用汽车速度表测速、GPS测速、雷达(超声波)测速仪测速等，用直接测量法测量时，物体的速度可直接从仪表上读出。但直接测量在技术上是比较复杂的，对仪器的要求也很高。间接测量，如初中物理实验中用刻度尺和秒表测量小车的速度，想一想，为什么把这个实验称为间接测量法？该实验中哪一环节上最容易造成较大误差的？ 提问：有没有减小时间测量的误差的好方法呢？ 学生观看视频，了解相关的交通常识，体会速度测量的必要性和普遍性。学生回忆、再现初中的知识，相互讨论后，回答：实验中先测出小车运动的位移x和时间t,然后用公式计算出速度v，速度不是直接测出的。直接测量量(又叫原始数据)是位移和时间。是时间的测量，小车运动时间本身就较小，加上人工按表时有人体反应时间滞后干扰，时间不容易测准。造成实验误差较大。介绍速度测量的两种方法，有利于拓展学生的知识视野，有助于学生将用计时器测速度与用传感器测速度的两个实验统合为一个整体，构成一个脉络清晰的知识体系。 两种测速方法的介绍也可放入下一学时的最后，由学生自行归纳。对初中实验的回忆、分析，有利于突出打点计时器的计时准确的功能，从而强化学生对计时器功能的印象；有利于学生看清知识发展的轨迹，将前后知识融会贯通起来。降低初、高中知识衔接的台阶。讲授新课一、模拟实验演示：滴水计时，测量速度教师介绍实验器材，引导学生观察水滴滴下的等时性。并通过计时确认。教师也可引伸至“水漏”(我国古代的计时工具)，指出它也能用来计时。让两个同学提着“水漏”沿直线行走，其他同学通过观察地上的水迹来比较两人行走的速度。 教师应要求学生说出得出结果的判断过程，从中突出，相邻两水迹所代表的时间是相同的，两水迹间的距离就代表位移的大小。所以水迹越稀疏表明速度越大，水迹分布越密集表明速度越小。相邻两点间的距离跟人运动的速度有什么关系？人的运动速度时快时慢，对相邻两点所表示的时间有没有影响？要想利用刚才的演示来测量人行走的速度，我们需要知道哪些信息？严格地说，这样测出的速度是平均速度还是瞬时速度？如果要让测出的速度接近瞬时速度，应如何调节“水漏”的滴水间隔？教师：如果我们能做到1秒钟内滴50滴水，即每两滴水之间间隔0.02秒，则对测量小车的速度来说，可认为t已经足够短了，测出的速度可认为是瞬时速度了。有没有这样的“水漏”？有，下面我们要学习使用的一种计时工具，它的计时道理和“水漏”相仿，这就是打点计时器。二、了解打点计时器教师布置学生自主观察仪器，阅读教材，了解打点计时器的种类、结构、原理、功能和使用方法。投影表格和阅读问题种类结构原理功能使用注意阅读问题：两种打点计时器，哪个更好些？误差可能会更小？电磁打点计时器的打点周期取决于 ( )A 交流电压的高低B 交流电的频率C 永久磁铁的磁性强弱D 振针与复写纸间的距离通过阅读，你觉得还有哪些问题没有完全弄清？你打算课后如何解决？教师巡回指导了解情况、，或参与学生的讨论，或回答学生的提问，指点、点拨或督促学生的自学教师帮助学生进行交流、展示，发现问题及时辅导、点拨，对学生的自学情况进行评价，对学生表现出来的长处给予赞扬和鼓励。学生观察思考，讨论比较，交流结果。学生思考、讨论，回答：速度越大，间距越大；没有影响；需要量出两点间的距离，还要知道两相邻水滴间隔多长时间；是平均速度；让水滴间隔的时间变小，即每秒内流出更多的水滴；学生对照仪器，自主阅读说明书，完成下列表格并思考教师布置的问题学生进行必要的交流、讨论学生投影表格，回答问题，展示自学成果，对出现的分歧及时进行讨论，或澄清、或保留；创设模拟情景，激发学生的学习兴趣，加深对打点计时的理解以问题为情景，激发学生参与的兴趣学生争论、交流、共鸣，。通过类比，在新知与已有知识间建立桥梁教师以表格和问题，指导学生自主学习的方向、重点，做到了“放”中有“控”。同时又通过表格的问题，检查了学生的自学效果，便于教师及时了解情况，发现问题，进行针对性的讲解、辅导。问题的设计立意指向的不是知识，而是获得知识的阅读过程。其目的在于：揭示阅读中遇到“不懂”是正常的。揭示通过阅读获得“疑问”与获得知识同样重要。指导学生如何阅读，如何对待阅读中的疑难。设计目标指向培养学生的问题意识、批判性思维的能力以及“知之为知之，不知为不知”的科学态度。三练习使用打点计时器教师布置学生自主阅读教材中的实验步骤揭示，指导学生练习使用打点计时器。同时播讲打点计时器使用的动画，供学生参考、模仿。教师来回巡视，指导、检查学生的纸带安装情况，提醒学生按正确的规程进行实验。指导学生动手练习使用打点计时器。经过操作实践后，教师布置学生交流打点计时器的使用情况，并有意识地突出以下问题：电磁打点计时器中怎样安放复写纸和纸带的位置?开启电源打点完毕后要及时关闭电源，这样做有什么好处?振针打的点不清晰或打不出点可能是哪些原因?怎样调整?如果打出的不是点，而是一些小短线段，则原因是什么？如何调整？首先由曾遇到该“故障”的小组回答其对原因的分析和排除的措施。教师作适当的补充和强调!同时对同学在排除故障过程中表现出来的解决问题的思路、方法和创新的精神大力赞扬教师投影展示：电火花计时器的纸带安装方法(让学生阅读) 使用电火花计时器在纸带上打点，安装纸带的方法有两种：一种是用一条纸带从墨粉盘下穿过，打点时墨粉盘不随纸带转动，电火花只将墨粉盘上某一位置的墨粉蒸发到纸带上，打出的点迹颜色较淡，打过一条纸带后要将墨粉盘转一角度再打另一条纸带学生实验时可采用这一方法另一种是用两条纸带，将墨粉盘夹在中间，拖动纸带时由于两条纸带的摩擦作用，墨粉盘会随纸带转动，电火花将墨粉盘上不同位置的墨粉蒸发到纸带上，所以打出的点迹颜色较重墨粉盘上面的一条纸带没有点迹，可重复使用用一条纸带打点时，纸带与打点计时器之间的摩擦阻力较小，用两条纸带打点时摩擦阻力较大不管用哪种方法，打完纸带后应立即切断电源。教师指导学生比较、体会两种打点计时器使用上的异同，指出电火花计时器的操作简易，使用安全可靠。学生自读、操作；学生亲自手拉纸带练习使用打点计时器。遇到问题，先自行分析原因，尝试解决。学生讨论回答：将复写纸套在复写纸定位销上，推动调节片，可调节复写纸位置将纸带从复写纸圆片下穿过。因打点计时器是按间歇工作设计的，故长期工作可能会因线圈发热而损坏原因可能是：可检查压纸框的位置是否升高，而阻碍了振动片，振针打不到纸带上，下压恢复其原来位置可能是复写纸该换新的了可能是振动片的振幅太小，可调整振动片的位置可能是振针的位置太高，调整振针的位置，直到打出点为止我选的电压在4 V和6 V的情况下，打点的清晰度有点差别，电压高的时候稍清晰，所以可调高一点电压 原因与排除方法与问题相反预先在打点计时器上设置若干“小故障”，迫使学生去尝试解决。(此步骤也可放在第二学时，尽量在本学时让学生较顺利地完成实验) 先自我实践、自主尝试，去排除故障，然后再总结归纳。而不是由教师作“纸上谈兵”式的故障分析和排除，能突出问题的实际意义，激发学生的学习兴趣，加深其印象同时有利于培养学生解决实际问题的能力，通过成功的故障排除，增强其实验自信心。同时也有利于改善课堂教学气氛。四、数据处理教师出示一纸带，指引学生观察，思考讨论下列问题，然后进行计算。刚开始处，点迹重叠且杂乱，间隔很小，说明了什么？如果计算此处的速度，误差大小会如何？怎样根据纸带上的点迹计算纸带运动的平均速度?教师巡回指导，了解学生的计算方法。布置学生上台交流平均速度的计算方法和结果。教师出示题目，用几种典型的点迹分布供学生练习打在纸带上的点，记录了纸带的运动时间如果把纸带和运动的物体连接在起，纸带上的点就相应地表示出运动物体在不同时刻的位置研究纸带上的点子之间的间隔就可以了解运动物体在不同时间内发生的位移，从而了解物体的运动情况请你用简短的语言描述图所示每条纸带记录的物体的运动情况教师提出问题并示例如果想计算纸带上某点(如下图纸带上E)处的瞬时速度，又应怎样进行测量和计算？思路是什么？ 测量出包括E点在内的D、F两点间的位移和时间t，算出纸带在这两点间的平均速度，用这个平均速度代表纸带经过E点时的瞬时速度 可以大致表示E点的瞬时速度，D、F两点离E点越近，算出的平均速度越接近E点的瞬时速度然而D、F两点距离过小则测量误差增大，应该根据实际情况选取这两个点 课堂练习：如图所示，打点计时器所用电源的频率为50 Hz，某次实验中得到一条纸带，用毫米刻度尺测出各点间的距离为：AC=140mm，AD250 mm那么由此可以算出纸带在AC间的平匀速度为_ms，纸带在AD间的平均速度为_ms；B点的瞬时速度更接近于_ ms 参考答案：035 042 03 学生思考、讨论后，选择适当的点迹进行计算学生投影纸带、测量值和计算结果。并回答刚才的问题 说明开始处的速度极小，由于点迹间距离往往难以测准，故测量此处的速度时误差会较大，所以一般不是测量点迹过于密集、杂乱处的速度测出两个点间的距离，数一下这两个点间共有多少个时间间隔，即有多少个o02 s，用这个总距离去除以所需用的时间(a)、(b)的各点分布较为均匀，是匀速运动，但从点子的疏密程度来看，(b)上的点子较稀疏，所反映的物体运动较快，速度较大(c)表示物体运动得越来越快，速度在增大；(d)表示物体运动得越来越慢，速度在减小学生思考后回答：思想方法；用某段时间内的平均速度粗略代表这段时间内的某点的瞬时速度所取的时间间隔越接近该点，这种描述方法越准确学生根据粗略表示某点瞬时速度的方法，选择合适的计数点，测量包含这个点的一段时间内的位移x，同时记录对应的时间t，填入教材第23页中设计好的表1中根据算出刚填完的表1中各点附近的平均速度，把它当作计时器打下这些点时的瞬时速度，抄入教材第24页表2中从该表中能粗略看出手拉纸带运动的速度变化情况 通过习题，开拓学生的见识，使学生了解各种典型的点迹分布情况，并培养学生纸带中搜集信息、处理信息的能力。讲练结合，学生既动脑又动手，有利于形成稳定、高效的技能。五、用图象表示速度师：刚才我们从表2中的数据可以粗略看出我们自己手拉纸带运动的速度变化情况，图象是表示变化规律的好方法，我们可以用图象来描述物体的速度变化情况，那么怎样用图象来表示物体运动的速度呢?请同学们先反间计课文然后尝试在坐标纸上画出表2的图象。教师进行指导，强调用光滑的曲线来连接各点；从这些点的走向上大致可看出纸带速度的变化规律图象方式显得更形象，变化趋势显现得更明显。课堂练习百米赛跑时运动员的速度从始至终是不变的吗?如果有变化，你估计是怎样变化的?某位运动员的百米赛跑的成绩是1057 s，按照你的估计画出他在这段时间的v-t图象的草图如果是没有受过训练的同学跑百米，他的v-t图象的形状可能有什么不同? 参考提示：运动员的百米赛跑中，速度变化较大大致可以分为三个阶段：启动阶段，速度从零迅速增大；中间阶段，这一阶段速度几乎不变；冲刺阶段，速度逐渐增到最大如图所示 如果是没有受过训练的同学跑百米，他的速度可能是先增加到最大，然后又逐渐减小如 所示学校举行的秋季运动会中，某同学获得了高一级100 m赛跑的第一名，他的成绩是1221 s按照你的估计在图 中画出他在比赛过程中的v-t图象。(思考提示：这位同学赛跑时的速度从始至终都是不变的吗?如果有变化，你估计是怎样的变化?把这种变化用图线表示出来时，要考虑图线会受到哪些条件的限制?)教师引导学生对图线的形状作出有根据的想象。在列举限制条件时，学生往往想不到路程100米这一条件。教师要视情况加以启发、说明，或提出问题：在v-t图上，运动的位移是否能得到表示？如能，又是如何表示的？学生具体操作描点、连线并根据图线说说自己拉纸带速度的变化情况。学生自