2019-2020学年高中物理 第一章 4 实验 用打点计时器测速度课件 新人教版必修1

4实验:用打点计时器测速度一二三四一、实验目的1.了解两种打点计时器的结构和工作原理。2.会安装并使用打点计时器。3.理解根据纸带测量速度的原理并会测量瞬时速度。4.明确速度—时间图像的意义,掌握描点法画图像的方法,并画出该实验中的速度—时间图像。一二三四二、实验器材电磁打点计时器(或电火花计时器)及纸带、刻度尺、电源、导线等。一二三四三、实验原理1.两种打点计时器的原理构造(如图所示)电磁打点计时器电火花计时器一二三四项目电磁打点计时器电火花计时器原理电磁作用下振针振动打点脉冲电流经放电针、墨粉纸盘放电打点电源4~6V交流电源220V交流电源打点周期0.02s0.02s优缺点振针和纸带间有摩擦以及限位孔和纸带间存在摩擦,系统误差较大阻力极小,系统误差较小电火花计时器工作时,由于纸带受到的阻力较小,所以比电磁打点计时器实验误差小。打在纸带上的点,记录了纸带运动的时间,如果把纸带跟物体连在一起,纸带上的点就相应地表示出运动物体在不同时刻的位置。一二三四3.粗略计算瞬时速度如图所示,D的瞬时速度可以粗略地由包含D点在内的两点间的平均速度来表示,即可以用B、F(或C、E)两点间的平均速度来代替D点的瞬时速度。2.根据纸带分析物体的运动情况并能计算平均速度(1)在纸带上相邻两点间的时间间隔均为0.02s(电源频率为50Hz),所以点迹密集的地方表示纸带运动的速度很小。(2)根据v=Δ𝑥Δ𝑡,求出在任意两点间的平均速度,这里Δ𝑥可以是用直尺测量出的两点间的距离,Δ𝑡为两点间的时间间隔数与0.02s的乘积。这里必须明确所求的是哪两点之间的平均速度。一二三四4.v-t图像与其画法为了更直观地反映物体的运动情况,我们可以用v-t图像来表示速度随时间的变化规律。以速度v为纵轴、时间t为横轴建立直角坐标系,根据计算出的不同时刻对应的瞬时速度值,在坐标系中描点,最后用平滑曲线把这些点连接起来就得到了一条能够描述速度v与时间t关系的图线。一二四三四、实验步骤1.练习使用打点计时器(1)把打点计时器固定在桌子上,了解它的结构。(2)按照说明把纸带装好。(3)接通电源,用手水平地拖动纸带,纸带上就打出一行小点,随后立即关闭电源。一二四三2.用打点计时器测量瞬时速度(1)取下纸带,从能够看清的某个点开始,往后数出若干点。将数出的点数n及这些点划分出来的间隔数填入表中。并据此计算出纸带从第一个点到第n个点的运动时间t,将结果填入表中。(2)用刻度尺测量出第一个点到第n个点的距离Δx,并填入表中。(3)根据纸带从第一个点到第n个点的运动时间t和第一个点到第n个点的距离Δx,计算出纸带在时间t内运动的平均速度v,并填入表中。点数间隔数运动时间t/s位移Δx/m平均速度v/(m·s-1)一二三一、实验注意事项1.正确安装复写纸,调节复写纸位置,使纸带从复写纸圆片下穿过。2.将计时器接入50Hz交流电源,电磁打点计时器应从交流4V开始,观察振片振动情况,若振幅较小,再升高电压至6V。3.接通电源,计时器工作,待1~2s后再拖动纸带打出点迹。观察点迹是否清晰,打完点后,立即关闭电源(打点计时器是按间歇工作设计的,避免线圈过热而损坏)。一二三4.在纸带上打不出点或点迹颜色过淡的情况下,纠正的方法有三种:电源电压较低,可适当调高;调整复写纸位置或更换复写纸;调整打点计时器的振针高度。5.画v-t图像时,横轴与纵轴单位长度的确定要根据实验数据的最大值、最小值合理选取,使描绘的图像能充满坐标平面的大部分空间。6.画v-t图像时,不可以用折线将坐标系中所描绘的点进行连接,而应用一条平滑曲线来“拟合”坐标系中所描出的点。这样,曲线反映的规律才更接近真实情况。一二三二、误差分析1.利用平均速度来代替计数点的瞬时速度带来系统误差。为减小误差,应取以计数点为中心的较小位移Δx来求平均速度。2.分段测量计数点间的位移x带来误差。为减小此误差,应一次性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。一二三三、数据处理1.用打点计时器测量瞬时速度用某段时间内的平均速度粗略代表这段时间内某点的瞬时速度。所取的时间间隔越接近该点,这种描述方法越准确。如图所示,测量出包括D点在内的B、F两点间的位移Δx和时间Δt,算出纸带在这两点间的平均速度v=Δ𝑥Δ𝑡,用这个平均速度代表纸带经过𝐷点时的瞬时速度。一二三Δ𝑥Δ𝑡可以大致表示𝐷点的瞬时速度,𝐵、𝐹两点离𝐷点越近,算出的平均速度越接近𝐷点的瞬时速度。需要注意的是如果𝐵、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。一二三2.用v-t图像描述物体的速度(1)v-t图像的画法: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图像。(2)v-t图像的意义:v-t图像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)图像法是处理实验数据的常用方法。运用图像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。类型一类型二类型三类型一打点计时器及应用【例题1】(多选)使用打点计时器时应注意()A.无论使用电磁打点计时器还是电火花计时器,都应该把纸带穿过限位孔,再把套在轴上的复写纸压在纸带的上面B.使用打点计时器时应先接通电源,再拉动纸带C.使用打点计时器拉动纸带时,拉动的方向应与限位孔平行D.打点计时器只能连续工作较短时间,打点之后要立即关闭电源解析:电磁打点计时器使用复写纸,电火花计时器不用复写纸,故A错;实验时应当先接通电源,再拉动纸带,故B正确;为减小摩擦,拉动纸带的方向应当与限位孔平行,故C正确;打点计时器不能长时间连续工作,故D正确。答案:BCD类型一类型二类型三题后反思使用打点计时器的注意事项:(1)使用打点计时器打点时,应先接通电源,待打点计时器打点稳定后,再拉动纸带。(2)打点前应使物体停在靠近打点计时器的位置。(3)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。(4)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之间的距离)。类型一类型二类型三类型二用打点计时器测速度【例题2】在用打点计时器(电源频率为50Hz)研究物体做初速度为零的直线运动的某次实验中,纸带的记录如图所示,图中前几个点模糊,因此从A点开始每5个点取一个计数点,试根据纸带求解以下问题:(1)纸带的哪一端与物体相连?(2)相邻计数点间的时间间隔是多少?(3)BD段对应的平均速度是多大?(4)打C点时瞬时速度的大小是多少?类型一类型二类型三点拨:根据平均速度和瞬时速度的定义式求解。注意计数点与计时点的区别。计时点是打点计时器实际打出的点,而计数点是测量时从计时点中按一定的标准选出的点。解析:(1)由物体的初速度为零,可判断纸带左端与物体相连。(2)由交流电源频率为50Hz知,相邻计时点间的时间间隔为0.02s,每5个点取一个计数点,则计数点间的时间间隔Δt=5T=0.1s。(3)由纸带可知xBD=(49.60-12.38)cm=0.3722m。tBD=2Δt=0.2s由平均速度公式得𝑣=𝑥𝐵𝐷𝑡𝐵𝐷=0.37220.2m/s=1.861m/s。(4)C点瞬时速度近似等于BD段的平均速度,故vC=1.861m/s。答案:(1)左端(2)0.1s(3)1.861m/s(4)1.861m/s类型一类型二类型三题后反思此类问题的处理方法:(1)从纸带上选取一段作为研究过程。(2)找出该段纸带对应的位移Δx,计算出相应的时间间隔Δt。(3)利用v=Δ𝑥Δ𝑡求出该段位移内的平均速度,若某点包含在该段位移中,可用Δ𝑥Δ𝑡表示该点的瞬时速度。类型一类型二类型三类型三根据图像处理数据【例题3】一条利用打点计时器打出的纸带如图所示,0、1、2、3、4、5、6是七个计数点,每相邻两个计数点之间还有四个点未画出,各计数点到0的距离如图所示。求出打计数点1、2、3、4、5时对应的纸带的瞬时速度并画出速度—时间图像。类型一类型二类型三点拨:在计算纸带上某个点的瞬时速度时,可以以该点为中心,对称地选一段位移Δx,找出通过Δx所用的时间Δt,该点的瞬时速度即可表示为Δ𝑥Δ𝑡。时间越小,平均速度越接近瞬时速度。在计算打某点的瞬时速度时,一般在该点两侧取相等的时间Δt,用2Δt内的平均速度来代表该点的瞬时速度。建立速度—时间坐标系,根据所求的瞬时速度,选好标度,确定计时起点(本题以0点为计时起点),描出对应时刻的速度,连线画出v-t图像。类型一类型二类型三解析:1点是0、2间的中间时刻,求出0、2间的平均速度即可认为是1点的瞬时速度,同理2、3、4、5点的瞬时速度也可求出。0和6两个点的瞬时速度不便求出,然后画出速度—时间图像。注意相邻计数点间的时间间隔T=0.1s,即v1=0.195m/s,v2=0.40m/s,v3=0.61m/s,v4=0.69m/s,v5=0.70m/s。横坐标表示时间,纵坐标表示速度,建立直角坐标系。根据前面计算出的结果在直角坐标系中描点,然后用平滑的曲线连接各点得到速度—时间图像如图所示。答案:0.195m/s0.40m/s0.61m/s0.69m/s0.70m/s图像见解析类型一类型二类型三题后反思(1)求出对应于不同时刻的瞬时速度,然后以运动方向为正方向建立坐标系,描点并用平滑曲线拟合就得到了描述物体运动的v-t图像。(2)对所给出的v-t图像,v的正、负表示速度的方向,纵坐标的绝对值表示物体运动的快慢,即速率。