2020年高中物理 第1章 运动的描述 第4节 实验：用打点计时器测速度课件 新人教版必修1

第一章运动的描述第4节实验：用打点计时器测速度|实验基础·理一理|一、实验目的1．了解两种打点计时器的结构和工作原理，并学会安装和使用．2．理解根据纸带测量速度的原理，学会粗略测量瞬时速度．3．能利用v­t图象分析物体的运动．二、实验原理1．两种打点计时器的对比电火花计时器电磁打点计时器结构图示电火花计时器电磁打点计时器工作电压220V交流电6V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0.02s0.02s记录信息位置、时刻和位移、时间2.电磁打点计时器的工作原理如图所示，当给电磁打点计时器的线圈通电后，线圈产生磁场，线圈中的振片被磁化，振片在永久磁铁磁场的作用下向上或向下运动，由于交流电的方向每个周期要变化两次，因此振片被磁化后的磁极要发生变化，永久磁铁对它的作用力的方向也要发生变化．振动片的一端装有打点针，当纸带从针尖下通过时，便会打上一系列点．3．电火花计时器的工作原理电火花计时器是利用电火花放电在纸带上打出小孔而显示出点迹的计时仪器．使用时，墨粉纸盘套在纸盘轴上，并夹在两条纸带间，当接通220V交流电源，按下脉冲输出开关时，计时器发出的脉冲电流经接正极的放电针、墨粉纸盘到接负极的纸盘轴，产生火花放电，于是在运动的纸带上就打出一列点迹．4．测平均速度、瞬时速度的原理与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Δx，这两点间的时间间隔为Δt，则平均速度v＝ΔxΔt.当Δt很短时，可以认为ΔxΔt为t时刻的瞬时速度．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220V交流电源)、刻度尺、纸带、复写纸、导线、坐标纸等．四、实验步骤1．把电磁打点计时器固定在桌子上，纸带穿过限位孔，把复写纸套在定位轴上，并且压在纸带上面．2．把电磁打点计时器的两个接线柱接到6V的低压交流电源上．3．接通电源开关，用手水平拉动纸带，使它在水平方向上运动，纸带上就打下一系列点．随后关闭电源．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，那么这n个点的间隔数为n－1，则纸带的运动时间Δt＝(n－1)×0.02s.5．用刻度尺测量出这几个点间的距离Δx.6．利用公式v＝ΔxΔt计算出纸带在这段时间内的平均速度．7．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…作为“计数点”，如图所示，依次测出O到A，B，C，D…之间的距离x1，x2，x3…五、数据处理1．计算瞬时速度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＝x22T、vB＝x3－x12T、vC＝x4－x22T、vD＝x5－x32T…把数据填入下表，根据数据判断纸带是否做匀速运动.位置ABCDEF(xn＋xn－2)/mv/(m·s－1)2.利用v­t图象分析物体的运动(1)v­t图象：用横轴表示时间t，纵轴表示速度v，建立直角坐标系．根据计算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v­t图象．(2)图象的意义：v­t图象直观地反映了速度随时间变化的情况，注意它不是物体运动的轨迹．六、误差分析1．纸带与打点计时器间的摩擦会带来系统误差，为减小误差，应选择较平整的纸带做实验．2．利用平均速度来代替计数点的瞬时速度存在系统误差．为减小误差，应取以计数点为中心的较小位移进行计算．3．测量计数点间的位移x会带来偶然误差．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．4．作v­t图象时坐标单位选定的不合理，或者作图粗糙也会带来偶然误差．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．使用电磁打点计时器时，如打出点较轻或是短线，应调整振针距复写纸的高度．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．|热点题型·研一研|★题型一实验原理与操作【例1】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频率为50Hz的低压________(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Δx.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Δt＝________.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v＝ΔxΔt计算纸带运动的平均速度．实验步骤的合理顺序是________．[解析]A项中电磁打点计时器应使用低压交流电源；B项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项中纸带上记录的时间Δt＝(n－1)×0.02s．合理的实验步骤为BAEDCF.[答案]交流限位孔复写纸(n－1)×0.02sBAEDCF|对点训练|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．使用打点计时器时，拉动纸带的方向应与限位孔平行D．打点计时器只能连续工作很短时间，打点之后要立即关闭电源解析：选BCD电磁打点计时器需要使用复写纸，电火花计时器不需要用复写纸，选项A错误；实验时应当先接通电源，再拉动纸带，选项B正确；为减小摩擦，拉动纸带的方向应当与限位孔平行，选项C正确；打点计时器不能长时间连续工作，打点完毕后应立即关闭电源，选项D正确．2．(多选)在“练习使用打点计时器”的实验中，下列操作正确的是()A．打点前，小车应靠近打点计时器处，要先接通电源，待计时器开始打点稳定后再释放小车B．舍去纸带上开头比较密集的点，然后选取计数点C．打点频率为50Hz，若每隔四个点取一个计数点，则计数点之间的时间间隔为0.1sD．实验中应使小车速度尽量小些解析：选ABC为了提高纸带的利用率，在释放小车前，小车需靠近打点计时器，这样可以在纸带上打出尽量多的点，纸带上密集点测量时误差较大，故要舍去，然后选取后面清晰的计数点，故A、B均正确；打点频率为50Hz，每隔四个点取一个计数点，则计数点之间的时间间隔为t＝5×0.02s＝0.1s，故C正确；如果实验时小车的速度过小，会导致纸带上的点比较密集，不利于选点和测量，故D错误．3．电火花计时器通常的工作电压为________伏，实验室使用我国民用电时，每隔________秒打一次点；如图所示纸带是某同学练习使用电火花计时器时得到的，纸带的左端先通过电火花计时器，从点迹的分布情况可以断定纸带的速度变化情况是________(填“速度减小”或“速度增大”)．若所用电源的频率为50Hz，从打下A点到打下B点共14个点迹，历时________s.解析：电火花计时器通常的工作电压为交流220伏，实验室使用我国民用电时，每隔0.02秒打一次点；相等时间内纸带右侧位移大于左侧位移，说明右侧的速度大于左侧的速度，即物体做速度增大的运动．又因从打下A点到打下B点共14个点迹，即A到B共有13个时间间隔，所以共用时t＝13×0.02＝0.26s.答案：交流2200.02速度增大0.26★题型二数据处理与分析【例2】某同学在“用打点计时器测速度”的实验中，电源频率为50Hz，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所示，每两个相邻的计数点之间的时间间隔为0.1s．(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______(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0.1s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如图直角坐标系中，并画出小车的瞬时速度随时间变化的关系图线．[解析](1)在实验中，使用打点计时器时应先接通电源，再释放纸带．(2)每两个计数点间还有n＝ΔtΔT－1＝0.1s0.02s－1＝4个点没有标出．(3)vB＝3.62＋4.38×10－22×0.1m/s＝0.400m/s；vC＝4.38＋5.20×10－22×0.1m/s＝0.479m/s；vD＝5.20＋5.99×10－22×0.1m/s≈0.560m/s.(4)图线如图所示：[答案](1)接通电源释放纸带(2)4(3)0.4000.4790.560(4)见解析图|对点训练|4．在实验中，某同学得到一张打点清晰的纸带如图所示，要求测出D点的瞬时速度．本实验采用包含D点在内的一段间隔中的平均速度来粗略地代表D点的瞬时速度，下列几种方法中最准确的是(打点周期为0.02s)()A．vD＝AFΔt1，Δt1＝0.10sB．vD＝BEΔt2，Δt2＝0.06sC．vD＝CEΔt3，Δt3＝0.10sD．vD＝CEΔt4，Δt4＝0.04s解析：选D求D点的瞬时速度，最准确的应是包含该点的最短的一段间隔的平均速度．题中间隔CE最好，选项A、B错误；选项C中时间间隔数据错误，CE间的时间间隔应为0.04s，选项D正确，C错误．5．打点计时器所用电源的频率为50Hz，某次实验中得到的一条纸带，用毫米刻度尺测量如图所示，纸带在A、C间的平均速度为______m/s，在A、D间的平均速度为________m/s，B点的瞬时速度更接近于______m/s.解析：由题意知，相邻两点间的时间间隔为0.02s．A、C间的距离为14mm＝0.014m，A、D间的距离为25mm＝0.025m.由公式v＝ΔxΔt得vAC＝0.0142×0.02m/s＝0.35m/s，vAD＝0.0253×0.02m/s≈0.42m/s.B点的瞬时速度更接近于0.35m/s.答案：0.350.420.356．如图所示，是一条利用打点计时器打出的纸带，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．求出各计数点的瞬时速度并画出速度—时间图象．(打点周期为0.02s)解析：1点对应时刻是0、2之间的中间时刻，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．而相邻计数点间的时间间隔T＝0.1s.故v1＝x022T＝3.9×10－22×0.1m/s＝0.195m/s，v2＝x132T＝9.0×10－2－1.0×10－22×0.1m/s＝0.40m/s，同理v3＝0.61m/s，v4＝0.69m/s，v5＝0.70m/s.以0点为坐标原点，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，然后连线得到速度—时间图象如图所示．答案：见解析★题型三实验创新【例3】像打点计时器一样，光电计时器也是一种研究物体运动情况的常用计时仪器，其结构如图甲所示，a、b分别是光电门的激光发射、接收装置，当有物体从a、b间通过时，光电计时器就可以显示物体的挡光时间．现利用图乙所示装置测量，图中MN是水平桌面，PQ是长1m左右的木板，Q是木板与桌面的接触点，1和2是固定在木板上适当位置的两个光电门，与之连接的两个光电计时器没有画出．让滑块从木板的顶端滑下，光