2021学年第一章 运动的描述4 实验：用打点计时器测速度学案

这是一份2021学年第一章 运动的描述4 实验：用打点计时器测速度学案，共8页。学案主要包含了大成目标，使用说明，目标反馈等内容，欢迎下载使用。
通过实物观看、自学课文，理解打点计时器的计时原理；（重点）
通过动手操作、数据处理，掌握打点计时器纸带的处理办法；（难点）
通过数据处理、误差分析，理解物理实验的科学方法，提高科学研究的思想和能力。
【使用说明】
基础案
（课前预习完成基础案，课中10分钟展示点评）
课前预习课本第四节和基础案，完成基础案中的练习，课中10分钟点评基础案，升华案20分钟，独立完成巩固案8分钟。
研究物体的运动，就要知道物体运动的位移、时间等，但这样还不能完整地描述运动.生活中，我们还会提出这样的问题:物体在哪个位置运动得更快?如何描述物体在某一位置或某时刻运动的快慢呢?这就要知道物体在该位置的速度，即瞬时速度.为此，我们来学习一种测量瞬时速度的方法。
知识点一 打点计时器
(1)定义:打点计时器是一种记录运动物体在一定时间间隔内位移的仪器.
(2)分类:电磁打点计时器、电火花计时器.
①电磁打点计时器
A.工作条件:使用6V以下的交流电源.当电源的频率为50Hz时，它每隔0.02s打一个点.
B.电磁打点计时器的构造如图所示.
C.工作原理:它是利用电源的磁效应打点计时的一种仪器.振片位于磁场中被磁化，相当干条形磁铁.当计时器的线圈通过低压交流电时，线圈产生周期性变化的磁场.在线圈和永久磁铁的作用下振片便上下振动起来，位于振片一端的振针就跟着周期性振动.这时如果纸带运动，振针就在纸带上打出一系列的点.打点间隔就是振片振动的周期，也就等于交流电的周期.
②电火花计时器
A.工作条件:使用交流电源，工作电压220V，当电源的频率为50Hz时，它每隔0.02s打一个点.
B.电火花计时器的构造如图所示.
C.工作原理:电火花计时装置中有一个将正弦式交变电流转化为脉冲式交变电流的装置.当计时器接通220V,50H:的交流电源时，按下脉冲输出开关，计时器发出的脉冲电流产生电火花，利用电火花放电在纸带上打出点来.
③两种打点计时器的特点:电磁打点计时器使用时阻力较大(阻力包括振针和纸带间的摩擦以及限位孔和纸带间的摩擦).而电火花计时器在使用过程中阻力极小，这极小的阻力来自纸带运动的本身而不是打点时产生的，因而系统误差较小.同时电火花计时器操作简易.
例1、电磁打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器，当电源的频率为50H:时，振针每隔 S打一个点.现在用打点计时器测定物体的速度，当电源频率低于50Hz时，如果仍按50H: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 。
1、关于打点计时器的使用，下列说法中正确的是(CD)
A.打点计时器应用低压交流电源，交流电源的频率为50Hz
B.纸带必须穿过限位孔，并注意把纸带压在复写纸的上面
C.要先通电，后释放纸带，纸带通过后立即切断电源
D.为减小摩擦，每次测量应先将纸带理顺
2、当纸带与运动物体连接时，打点计时器在纸带上打出点.下列关于纸带上点的说法中，正确的是(ABD)
方法点拨:测量瞬时速度的实验中，用到了近似计算.△t取极小值时，平均速度即可近似认为是瞬时速度.实验中，某点的瞬时速度可由该点两侧接近该点的两点间的平均速度来表示.
A.点记录了物体运动的时间
B.点记录了物体在不同时刻的位置和某段时间内的位移
C.点在纸带上的分布情况，反映了物体的质量和形状
D.纸带上点的分布情况，反映了物体的运动情况
知识点二 用打点计时器测瞬时速度
(1)实验原理
两种打点计时器当接通50Hz的交流电时，都是每隔0.02s打一次点.当纸带跟运动物体连在一起时，打点计时器打在纸带上的点就相应地表示出物体在不同时刻的位置，纸带上各点之间的距离就表示出运动物体在不同时间内的位移，根据平均速度的定义式，当△t很短时，可以认为等于t时刻的瞬时速度.
(2)实验步骤
①把电火花计时器固定在桌子上，检查墨粉纸盘是否已经正确地套在纸盘轴上，并检查两条白纸带是否已经正确地穿好，墨粉纸盘是否夹在两条纸带之间.
②把计时器上的电源插头插在220V的交流电源插座上.
③接通开关，用手水平地拉动两条纸带，纸带上就会打下一系列的点迹.
④取下纸带，从能够看清的某个点开始，往后数出若干个点，如果数出n个点，这些点划分出来的间隔数为(n-1).由此计算出纸带从第一个点到第n个点的运动时间为0.02(n-1)s
3.用打点计时器记录了被小车拖动的纸带的运动情况，如图所示，给出了该次实验中，从0点开始，每5个点取一个计数点的纸带，其中0,1,2,3,4,5,6都为计数点.测得:x1=1.40cm，x2=1.90cm，x3=2.38cm，x4=2.88cm，x5=139cm，x6=3.87cm.

在打点计时器打出点1,2,3,4,5时，小车的速度分别为V1= 0.165 m/s，V2= 0.214 m/s，V3= 0.263 m/s.，V4= 0.314 m/s，V5= 0.363 m/s
4.如图所示为某次实验时打出的纸带，打点计时器每隔0.02s打一个点，图中O点为第一个点，A,B,C,D为每隔一个点选定的计数点.根据图中标出的数据，打A、D点时间内纸带的平均速度有多大?打B点时刻纸带的瞬时速度有多大?计算的依据是什么?你能算出打O、,D点时间内纸带的平均速度吗?为什么?
答案：231.25cm/s，212.50cm/s，无法算出OD段的速度，因为不知道OD段有多少个时间间隔。
⑤用刻度尺测量出第一个点到第n个点的距离x，再利用公式算纸带通过这段位移时的平均速度.
揭示规律:当时间间隔很短时平均速度可以认为近似等于瞬时速度。
(3)实验数据处理
根据纸带分析物体的运动情况并计算平均速度.
在纸带上相邻两点的时间间隔均为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小.
根据求出任意两点间的平均速度，这里△x可以用直尺测量,△t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，
计算瞬时速度
某点E的瞬时速度可以粗略地由包含E点在内的两点间的平均速度来表示，如图所示，是，如果取离E点越接近的两点来求平均速度.这个平均速度越接近E点的瞬时速度.但是距离过小会使测量误差增大，应根据实际情况选取这两点.
例2、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，用毫米刻度尺测量情况如图所示，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. 答案
知识点三利用v-t图像分析物体的运动
(1)、v-t图像
①定义:描述速度v与时间t关系的图像.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意义:非常直观地反映了速度随时间变化的情况，它并不是物体运动的轨迹.
(2)、匀速直线运动的v-t图像
①匀速直线运动的v-t图像是与时间轴平行的直线，如图甲所示，直线a,b分别表示va=4m/s,vb=8m/s.
②、从匀速直线运动的v-t图像中不仅可以看出速度的大小，并且可以求出位移，根据位移公式x=vt，在v-t图像中就对应着边长分别为v和t的一个矩形的面积，如上图乙中阴影部分.
(3)变速直线运动的v-t图像
1、v-t图像上速度增大的直线表示物体做加速运动，如图中a所示.
v-t图像上速度减小的直线表示物体做减速运动，如图中b所示.
○2 eq \\ac(○,2)、v-t图像上速度减小的直线表示物体做减速运动，如图中b所示.
例3、A、B两物体做直线运动的v-t图像如图所示，则A的运动速度大小为 m/s，B的运动速度大小为(选填“相同”或“相反”) ,A的速度 m/s。A和B的速度方向 (选填“大于”“等于”或“小于”)B的速度，物体A在3s内的位移是物体B在4s内的位移是 ，方向 。
方法点拨:图象法是直观地反映变化规律的好方法.物体的运动也可以用图象来描述，以速度V为纵轴、时间t为横轴建立直角坐标系.把测出的纸带上各点的速度在坐标系中描点，并用一条平滑的曲线把这些.点连起来，曲线反映的规律应该与纸带运动的实际情况较为接近.
答案:10 5 相反 大于 30m 与规定的正方向相同 -20m 与规定的正方向相反。
5.如图所示是一质点做直线运动的v-t图像，据此图像得到的结论是(C)
A.质点在第1s末停止运动
B.质点在第1s末改变运动方向
C.质点在第2s内做减速运动
D质点在前2s内的位移为零
6.如图所示，是A,B两质点运动的速度一时间图像.下列说法中错误的是(C)
A.质点是以10M/S的速度做匀速运动
B.质点是先以5m/s的速度与A同向运动is，而后停了1s,最后以5m/s的速度向相反方向做匀速运动
C.质点在3s内的位移是10m
D质点在3s内的路程是10m
如图所示.根据打点计时器打出的纸带判断，表示物体做匀速运动的(B)
升华案
（课内20分钟，展示点评、点拨小结）
知识点拨:
(1)选取一条点迹清晰的纸带为研究对象。
(2)分析纸带上点与点之间间隔的变化情况.
(3)若点与点之间的距离相等，就可判断物体做匀速运动，若点与点间距越来越大，则物体做加速运动，反之做减速运动.
一、利用纸带判断物体的运动情况
例1、关于打点计时器打出的纸带，下列叙述中正确的是(ABD)
A.点迹均匀，说明纸带做匀速运动
B.点迹变稀，说明纸带做加速运动
C.点迹变密，说明纸带做加速运动
D.相邻两点间的时间间隔相等
分析:打点计时器的振针打点的频率是50Hz，即相邻两点间的时间间隔相等，均为0.02s，如果纸带做匀速运动，点迹均匀;如果纸带做加速运动，点迹变稀;如果纸带做减速运动，点迹变密.
答案:ABD
方法点拨：瞬时速度只能代表是一个瞬间运动的快慢，注意单位不统一时要换算为同样的单位比较.
二、平均速度的计算和瞬时速度的计算
例2、如图所示是一位同学利用电磁打点计时器打出的一条纸带，相邻点的时间间隔为0.02s，纸带旁边是一把分度值为lmm的直尺，试计算拖着纸带做直线运动的物体，求:
(1)在AC段时间内的平均速度.，~0.22
(2)在打点计时器打B点时，的瞬时速度。0.22

三、速度一时间图像的理解
例3、如图所示为某物体运动的v-t图像，试说明该物体的运动情况.
解答:
0-4s物体做加速运动，末速度为12m/s;
4s-6s物体做减速运动，末速度为0;
6s^-7s物体做反向加速运动，末速度大小为4m/s;
7s-8s物体做反向减速运动，末速度为0.
思路分析:在v-t图像中在t轴上方的图线表示速度方向与规定的正方向相同;在t轴下方的图线表示速度方向与规定的正方向相反;与t轴的交点表示速度为。;无论是t轴上方还是下方的图线只要它对应v轴上数值的绝对值在变大就是加速运动，反之即为减速运动.
例4、小车拖动的纸带经过打点计时器后，在纸带上留下的点中有6个连续清晰的点，测出这6个点间的距离为18cm，则(C)
A小车运动的平均速度为0.03m/sC小车运动的平均速度为1.8m/s
B.小车运动的平均速度为1.5m/sD.小车运动的平均速度为180m/s
巩固案
（课内8分钟自主完成A、B级练习，分层达标。课后完成C级练习）
A级（4分钟）
1.根据打点计时器打出的纸带(ＢＣ)
A.能准确地求出某点的瞬时速度
B.只能粗略地求出某点的瞬时速度
C.能准确地求出某段时间内的平均速度
D.可以任意地利用某段时间内的平均速度代表某点的瞬时速度
2、一物体做直线运动的v-t图像如图所示，则该物体(Ａ)
A.先做加速运动，后做减速运动，速度方向相同
B.先做加速运动，后做减速运动，速度方向相反
C.先做减速运动，后做加速运动，速度方向相同
D先做减速运动，后做加速运动，速度方向相反
3.某物体的运动规律如图所示，下列说法中正确的是(Ｄ)
A.物体在第１s末运动方向发生变化
B.第2s内、第3s内的速度方向是相同的
C.物体在第2s内返回出发点，向反方向运动
D.在这7s内物体的位置始终不会为负值
4、如图所示为甲、乙两质点的v-t图像，对于甲、乙两质点的运动，下列说法中正确的是(Ａ)
A.质点甲向所选定的正方向运动，质点乙与甲的运动方向相反
B.质点甲、乙的速度相同
C.在相同的时间内，质点甲、乙的位移相同
D质点甲、乙之间的距离一定越来越大
5、在如图所示的v-t图中，A,B两质点同时从同一点在一条直线上开始运动，运动规律用A,B两图线表示下列叙述正确的是(ＢＣ)
A、.t=1s时，B质点运动方向发生改变
B、t=2s时，A,B两质点间距离一定等于2m
C、A,B同时从静止出发，朝相反的方向运动
D、在t=4s时，A,B相遇
B级（4分钟）
6.使用电火花计时器来分析物体运动情况的实验中，有如下基本步骤:
A.把电火花计时器固定在桌子上.B.安装好纸带.
C.松开纸带让物体带着纸带运动.D.接通220V交流电源.E.按下脉冲输出开关，进行打点.
这些步骤正确的排列顺序为（ＡＢＤＥＣ）
7.在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，用打点计时器在纸带上打点以记录小车的运动情况.在这一实验中，某同学进行以下实验步骤:A.拉住纸带，将小车靠近打点计时器，放开纸带，再接通电源.
B.将打点计时器固定在平板上，并接好电路.
C.把一条绳拴在小车上，细绳跨过定滑轮，下面吊着适当重的钩码.
D.取下纸带.
E将纸带固定在小车尾部，并穿过打点计时器的限位孔.
(1)、其中有错误或遗漏的步骤有:
①Ａ
②ＢＥＣＡＤ
(2)、将以上步骤完善后合理的顺序是
4、如图所示，甲、乙两图像分别是某个运动质点的x-t图像和V-t图像，试说明在两图像中的OA,AB,BC,CD,DE各个阶段表示质点分别做什么运动?
C级（建议留作课外作业）
5、小明同学在学习了DIS实验后.设计了一个测物体瞬时速度的实验，其装置如图所示.在小车上固定挡光片，使挡光片的前端与车头齐平、将光电门传感器固定在轨道侧面，垫高轨道的一端.小明同学将小车从该端同一位置由静止释放，获得了如下几组实验数据.
则以下表述正确的是(Ｄ)
①四个挡光片中，挡光片工的宽度最小;
②四个挡光片中，挡光片W的宽度最小;
③四次实验中，第一次实验测得的速度最接近小车车头到达光电门时的瞬时速度;
④四次实验中，第四次实验测得的速度最接近小车车头到达光电门时瞬时速度.
A.①③B.②③C.①④D.②④
【目标反馈】
本节课的目标是否达成：
在达成的过程中还存在什么问题：
有什么收获：