高中物理人教版 (新课标)必修14 实验：用打点计时器测速度学案设计

第四节 实验：用打点计时器测速度

一、课标要求

1.了解电磁打点计时器和电火花打点计时器的基本构成，知道打点计时器的计时原理，并学会使用打点计时器。

2.通过实例学会根据纸带上的点分析速度的变化情况，并学会测定平均速度。

3.通过实例学会用打点计时器测量瞬时速度。

4.学会用图象表示速度变化规律的方法，理解用平滑曲线“拟合”坐标系中描出的点来反映客观规律的思想。

二、教材分析

    这节课有三个目的：1.学会是用打点计时器；2.用打点计时器测瞬时速度；3.用图象表示速度随时间的变化情况。

    由纸带上某两点间的位移△x和相应的△t就能算出它们之间的平均速度。与过去的教学不同的是，教材由此又向前走了一步，说明在△x（或△t）很小时，这样算出的平均速度可以看作瞬时速度，而不是绝对意义上的瞬时速度。对于这一点，老师们可能还不习惯。这是因为我们过去的物理教学过于理想化、绝对化，或说与实际问题的距离比较大。实际的测量技术测得的瞬时速度都是某段时间内的平均速度，而不是绝对意义上的瞬时速度。例如汽车上的速度计，无论是用离心测速的方法还是用发电机测速的方法，转动部分都有一定的惯性，对速度变化的反应都需要一段时间，因此，它们实际测得的速度都不是数学意义上的“极限”。本节要求用很小时间间隔内的平均速度作为瞬时速度，除了有意加强瞬时速度的理解外，也是拉近物理课与实际、与技术的距离。

    用图象表示物理量的变化，在生活中是常见的方法，本书在这方面加强了很多。

    这节实验之后用图象表示速度时，思路与过去有些不同：

    过去在描点之后往往说，“用一条直线（或××曲线）连接这些点……”，为什么要用直线（或××曲线）而不用别的曲线？因为在过去的实验中我们都已经知道，坐标系中的两个物理量之间的关系就是直线（例如匀变速直线运动的速度与时间的关系）。这是验证性实验的做法。

    这节中，测的是手拉纸带的速度，事先并不知道速度随时间变化的规律，也就是说不知道图象是一条什么曲线。这种情况下我们只能根据所描点子的分布和走向，尝试用某条曲线来“拟合”这些测量点。这是探究性实验中常用的方法。

这两种情况下的作图，操作步骤相似，但思路不一样，逻辑线索不一样，教学中要注意表达清楚。

第24页的“说一说”中即要求学生学会用图象表示速度与时间的关系，又要求学生知道优秀运动员与没有受过训练的学生两人在百米赛时速度变化的不同点。这个栏目的目的是让学生体会到，解决实际问题要有比较宽的知识面做基础，只有课本上的知识是不行的。

25页“做一做”栏目的目的是把学科教学与信息技术结合起来。由于这项工作在我国刚刚开始，各地条件不同，所用器材的差别很大，所以这里只给出了原则性的指导，给出了思路。教师应该根据具体条件开展这方面的教学。

三、教法建议

1.电磁打点计时器与电火花计时器

    这两种计时器由于计时原理相同，所以在实际应用中不加区分，根据学校的实际条件，用哪一种都行。对这部分的教学要注意：

    （1）突出计时原理，不过分追求工作原理。

    （2）要充分向学生展示实物，以使学生掌握接入电源的方法和穿纸带的方法。

    （3）明确纸带上的点是如何反映时间和物体运动情况的。

（4）让学生知道电火花计时器必电磁打点计时器误差小的原因。

2.练习使用打点计时器

    练习使用打点计时器主要包括两个方面，一是打点计时器的安装，特别是纸带的安装；二是用纸带上的点研究物体的运动。由于是第一个学生实验，所以教学中要注意：

    （1）要让学生在教师的指导下按步骤有序操作，培养学生规范进行实验操作的习惯。

    （2）掌握由纸带上的点确定物体运动位移与运动时间的方法与原理。

（3）牵拉纸带一定要让学生亲自动手操作，然后与纸带上的点迹分布相对应，以感悟运动速度变化情况。

（4）要注意测量点与打点的区别，并学会灵活选定测量点。

3.用打点计时器测量瞬时速度

    用打点计时器打出的纸带计算平均速度绝大多数学生都能掌握，但用打点计时器测量瞬时速度多数学生可能会感到困惑。教学中要突出：

    （1）平均速度与瞬时速度主要是描述的精确程度不同。

    （2）这里采取的描述方法是：用包含该点在内的一小段位移上的平均速度代替该点的瞬时速度。

    （3）要求每个0.1s测一次速度，这主要是为了处理实验数据时计算方便，在实际教学中根据纸带上的点的分布情况灵活确定。

    （4）要严格按实际测出数据进行计算，不可主观臆造，培养学生严肃进行科学研究的学习品质。

4.用图象表示速度

    用图象表示速度，在这里主要是作为一种处理实验数据的方法，而不是作为一个重要知识点，这一点在实际教学中要充分注意。作为一种方法的教学，要按一定的思维程序进行：

    （1）建立坐标系，设定合适的刻度，注明单位。

    （2）严格按实验数据描点，根据点的分布定分析速度的变化特点。

    （3）描出的点是不连续的，之所以要用平滑曲线来“拟合”实验中描出的点，是因为各个时刻都有速度，速度随时间是连续变化的，而实验中又不可能把所有时刻的速度都测出来。

5.“说一说”与“做一做”

“说一说”中要求学生在知道优秀运动员与没有受过训练的学生两人在百米赛时速度变化的特点的基础上，学会用图象表示速度与时间的关系。教学中要让学生主动思考，充分讨论，将感性认识用理性的方法表达出来，突出对学生的能力培养。

“做一做”栏目中用的实验器材较先进，不同学校的条件差异很大，所以教学中教师应该根据具体条件开展这方面的教学，也可以师生进行互动参与。但不管采用深器材，要突出实验原理和研究思路。

关于“科学漫步”这部分内容，可以通过演示让学生明确：一是数字计时器的使用；二是气垫导轨能提高实验精度的原因；三是测速度的基本物理思想。

四、教学资源

（一）        参考资料

1.J0201－1型数字计时器使用方法

(1)使用前的检查与调整：第一步，先不插入光电门，把功能转换开关K1拨向S1计时档，打开电源开关，数码管应跳字。第二步，把两个光电门分别插入输入插座“Ⅰ”、“Ⅱ”，数码管应停止跳字；如果仍不断跳字，表明光电门的发光管光线没照准接受管，或者光电门的四芯插头没插好，应仔细加以调整，直至数码管停止跳字为止。第三步，检查清零性能，按一下“复位”钮，数码管应全部清零；间隔2、3秒钟连续接通电源，数码管应能自动全部清零。

　　仪器接通电源后，要经五分钟预热，使时基脉冲达到稳定后，再开始使用。

　　(2)S1档计时：K1置“S1”档，对任一光电门遮光，便开始计时，露光则停止计时。数码管显示的数字为遮光的时间值。

　　(3)S2档计时：K1置“S2”档，对任一光电门第一次遮光即开始计时，第二次遮光则停止计时。数码管显示的数字为两次遮光间隔的时间值。

　　S1和S2档计时所得时间值的读数，为数码管显示的数字与所取的时基信号单位之积。假如显示的数字为153，时基信号为1毫秒时，读数为153毫秒；时基信号为10毫秒时，续数则为1.53秒。

　　(4)光控计数：K1置“计数”，对任一光电门每遮光一次，数码管就累加一个字，显示出遮光的次数。

　　(5)数码管窗口玻璃丝有机玻璃，经摩擦会产生静电，以致感应数码管的亮段消失，要待一会才能恢复。因此，在使用过程中，禁忌用手或其它干燥物揩试窗口玻璃，以免造成数码管暂时不亮的现象。

2.电火花计时器电路原理

电火花计时器电路原理如图所示。当S1开关接通时，220V、50Hz交流电压的正半周通过二极管D1、D4及限流电阻R1对电容器C1进行充电，使电容器上电压达到交流电压的峰值311V；在负半周时，通过二极管D3、D2，限流电阻R2及稳压管D5形成回路，稳压管D5的稳压电压为10V，其作用是限制加到晶闸管触发极上的电压不致过高，晶闸管D6被触发，电容器C1上的电压通过高压变压器Ｔ初级线包，二极管D8及晶闸管D6迅速放电，于是在T的次级产生3.5~3.8kV的脉冲电压，经过放电针、墨粉纸盘在普通纸带上产生放电迹点。电源频率的每一个周期放电一次，因电源频率为50Hz，故两个放电迹点的时间间隔为0.02s。高压脉冲也可以由接线柱引出，供电火花描迹仪及其他仪器使用。
    电火花计时器采用高压脉冲计时，放电针与运动纸带是不接触的，因此避免了计时与纸带运动的相互干扰。该仪器没有机械振动部分，可靠性好，整个电路部分密封在塑料盒中，高压脉冲电流小于0.2mA，安全性好。
    若电路发生故障，应特别注意检查二极管D1~D4有无损坏，C1电容是否击穿；也可用电阻表直接检测高压脉冲输出插孔两端，其阻值应约为3kΩ。如测得的阻值很大，则说明高压变压器次级断路，应进行调换。

（二）习题精选

1.小明以同一个打点计时器固定頻率下，測量小車拉動紙帶甲、乙、丙、丁的運動速度，每次車子都是自右向左运动，四段紙帶的長度都相同。則下列叙述哪些是正确？（AB）

A.紙帶甲打點均勻，表示車子的速度一定
    B.紙帶乙显示的平均速度最大
    C.紙帶丙表示的速度越来越小
    D.紙帶丁表示小車的速率越來越大
    2.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。其相邻点间的距离如图所示，每两个相邻的测量点之间的时间间隔为0.10s。

(1)试根据纸带上各个计数点间的距离，每个0.10s测一次速度，计算出打下B、C、D、E、F五个点时小车的瞬时速度，并将各个速度值填入下表(要求保留3位有效数字)

(2)将B、C、D、E、F各个时刻的瞬时速度标在直角坐标系中，并画出小车的瞬时速度随时间变化的关系图线。

参考答案：