高中物理人教版 (新课标)必修14 实验：用打点计时器测速度课堂检测

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第1.4课（实验）用打点计时器测速度一、实验原理1.两种打点计时器的比较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．二、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220 V交流电源)、刻度尺、纸带、复写纸、导线、坐标纸等。打点计时器的作用1. 测时间（直接测出，电源频率 50 Hz，每隔 0.02 s秒打一个点）。2. 测位移（直接测出）。3. 测纸带的速度（间接测出），研究物体的运动。4.分析纸带 → 研究物体运动用打点计时器测量瞬时速度（1）测平均速度：方法：先取计数点0，1，2，3，4……用刻度尺量出计数点间的距离（位移）Δx，计入表格，同时记下对应的时间Δt，然后根据公式算出平均速度。（2）测瞬时速度：当Δt无限小的时候，两点间的平均速度近似等于两点间某点的瞬时速度，故——用两点间的平均速度代替两点间某点的瞬时速度。三、实验过程1.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6 V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)重复步骤(2)、(3)，获得3～5条纸带。(5)选择一条点迹清晰便于分析的纸带，往后数n个点，n个点之间的间隔数为(n－1)，纸带从打第1个点到打第n个点的运动时间Δt＝0.02(n－1) s。(6)用刻度尺测量出第1个点到第n个点间的距离Δx。2.数据处理(1)计算纸带的平均速度：从打第1个点到打第n个点，纸带的运动时间为Δt＝0.02(n－1)s，纸带的位移为Δx，纸带的平均速度v＝。把测量和计算的结果填入表中。(2)用打点计时器测量瞬时速度①选取一条点迹清晰便于分析的纸带。②从能够看清的某个点开始，每隔四个点取一个计数点，每两个计数点间的时间间隔T＝5×0.02 s＝0.1 s。在纸带上用O、A、B、C、D…标出这些“计数点”，如图所示。用刻度尺依次测出OA、OB、OC、OD…的距离是s1、s2、s3、s4…，再利用x1＝s1、x2＝s2－s1、x3＝s3－s2…确定出OA、AB、BC、CD…之间的距离x1、x2、x3、x4…③A、B、C、D…各点的瞬时速度分别为vA＝、vB＝、vC＝、vD＝…(3)用v－t图象描述物体的速度①以速度v为纵轴，时间t为横轴建立直角坐标系。②根据不同时刻的瞬时速度值，在坐标系中描点。③用平滑曲线把这些点连接起来，即得到v－t图象。四、误差分析1.利用平均速度来代替计数点的瞬时速度自身带来系统误差。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.测量计数点间的位移x带来误差。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。3.计数点间的时间Δt搞错。n个计数点间的时间间隔为Δt＝(n－1)×0.02 s。而非Δt＝n×0.02 s。4.作v－t图象不用坐标纸、尺子，坐标单位选定的不合理，作图粗糙带来误差。五、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。 1.用如图所示的计时装置可以近似测出气垫导轨上滑块的瞬时速度.已经固定在滑块上的遮光条的宽度为4.0 mm，遮光条经过光电门的遮光时间为0.040 s，则滑块经过光电门位置时的速度大小为(　　)A.0.10 m/s     B.100 m/s    C.4.0 m/s    D.0.40 m/s【答案】A【解析】遮光条经过光电门的遮光时间很短，所以可以把遮光条经过光电门的平均速度当作滑块经过光电门位置时的瞬时速度，即v＝＝m/s＝0.10m/s，A正确.2.一同学从家中出发，沿平直的马路以一定的速率走到邮局.发信之后，沿原路以相同的速率返回.设出发时方向为正方向，则下图中能描述该同学运动情况的v－t图象是(　　)A.   B.   C.   D.【答案】B【解析】规定出发时方向为正方向，则返回时的速度必为负，故C错；由于速率不变，故D错；A图表示两个同时向相反方向运动的物体的v－t图象，故A错. 3.(多选)使用电磁打点计时器下列说法正确的是(　　)A.电磁打点计时器使用低压交流电源，交流电频率为50 HzB.纸带必须穿过限位孔，并注意把纸带放在复写纸上方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拉直【答案】ACD【解析】电磁打点计时器使用低压交流电源，交流电频率为50 Hz，A正确；纸带应穿过限位孔，并放在复写纸下方，B错误；为了提高纸带的利用率，同时为了使打点稳定，使用打点计时器时要先接通电源，后释放纸带，C正确；为减小摩擦，每次测量应先将纸带拉直，D正确.4.(多选)使用打点计时器测量瞬时速度时应注意(　　)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.使用打点计时器在拉动纸带时，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【答案】BCD【解析】电磁打点计时器使用复写纸，电火花打点计时器不用复写纸，A错；实验时应当先接通电源，再拉动纸带， B正确；为减小摩擦，拉动纸带的方向应当与限位孔平行， C正确；打点计时器不能长时间连续工作，D正确.5.(多选)两木块自左向右运动，现用高速摄影机在同一底片上多次曝光，记录下木块每次曝光时的位置，如图所示，连续两次曝光的时间间隔是相等的，由图可知(　　)A.上木块做加速运动，下木块做匀速运动B.在时刻t2以及时刻t5木块速度相同C.在时刻t2以及时刻t5间，上木块的平均速度与下木块速度相同D.在时刻t3和时刻t4间某瞬时两木块速度相同【答案】ACD【解析】上面木块在相等时间内的位移之差越来越大，知上木块做加速运动，下木块在相等时间内的位移大小相等，做匀速直线运动，A正确；设每一小格宽度为d，则上木块在时刻t2的速度v2＝，下木块的速度v＝，B错误；在时刻t2以及时刻t5间，上下木块运动的位移大小相等，时间相等，则平均速度相等，C正确；t3时刻的速度v3＝＜v；t4时刻的速度v4＝＞v，可见在此时间内必有一时刻两物体速度相等，D正确.6.如图所示是电火花计时器的示意图.电火花计时器和电磁打点计时器一样，工作时使用　　（选填“交流”或“直流”）电源.其工作时的基本步骤如下：A.当纸带完全通过电火花计时器后，及时关闭电火花计时器B.将电火花计时器电源插头插入相应的电源插座C.将纸带从墨粉纸盘下面穿过打点计时器D.接通开关，听到放电声，立即拖动纸带运动上述步骤正确的顺序是　　.（按顺序填写步骤编号）【答案】交流CBDA【解析】电火花计时器和电磁打点计时器一样，工作时使用交流电源，当电源的频率为50Hz时，它每隔0.02s打一次点；实验步骤要遵循先安装器材后进行实验的原则进行.上述步骤正确的顺序是CBDA.7.电磁打点计时器和电火花打点计时器都是使用　　电源的计时仪器，电磁打点计时器工作的电压是　V，电火花打点计时器工作的电压是　V.当电源频率是50HZ时，它每隔　打一个点.【答案】交流，4～6，220，0.02.【解析】电磁打点计时器和电火花打点计时器都是使用交流电源的计时仪器，电磁打点计时器工作的电压是4～6V，电火花打点计时器工作电压是220V，当电源频率是50Hz时，它每隔0.02打一个点.8.某同学在研究被重物牵引的小车速度随时间变化的关系的实验中得到一条纸带，如图所示O、A、B、C、D、E、F是纸带上的七个计数点，每相邻两个计数点间还有四个点没有画出，用x1、x2、x3、x4、x5、x6表示相邻两个计数点间的距离，在纸带的下方用毫米刻度尺测量计数点间的距离（零刻度线与O点对齐），已知打点计时器电源频率为50Hz，那么，打下A、B两点的时间间隔为　　　　s，A点读数为　　　　cm；可计算出B、C两点间距离=　　　　cm；C点对应的速度大小是　　　　m/s，小车运动的加速度为　　　　m/s2.（上述计算结果保留两位有效数字）.【答案】0.10，0.70，0.080，0.20.【解析】每相邻两个计数间有四个点没有画出，相邻的计数点时间间隔为0.10s，A点读数为0.30cm；利用毫米刻度尺测出B、C两点间距x3=7.0mm=0.70 cm某时刻的瞬时速度等于一段时间内的平均速度为：vC=m/s=0.080m/s，由于相邻的时间间隔位移之差相等，根据运动学公式推论得：a==0.20m/s29.一小球在桌面上从静止开始做加速直线运动，现用高速摄影机在同一底片上多次曝光，记录下小球每次曝光的位置，并将小球的位置编号，如图甲所示，1位置恰对应小球刚开始运动的瞬间，作为零时刻.摄影机连续两次曝光的时间间隔均相同.(1)小球从1位置到6位置的运动过程中经过各位置的速度分别为v1＝0，v2＝0.06 m/s，v3＝________ m/s，v4＝0.18 m/s，v5＝________ m/s.(2)在图乙所示的坐标纸上作出小球的速度—时间图象(保留描点痕迹).【答案】　0.12　0.24　【解析】　如题图所示，x1＋x2＝0.06 m，而v2＝m/s＝0.06 m/s，故T＝0.5 s，则v3＝＝m/s＝0.12 m/s，又x4＋x5＝0.24 m，则v5＝＝m/s＝0.24 m/s.其v－t图象如图所示.10.小华同学在做“用打点计时器测速度”的实验时，从打下的若干纸带中选出了如图1所示的一条纸带，已知打点计时器使用的电源频率为50Hz，每两个相邻计数点间有四个点没有画出，各计数点到0点的距离如纸带上所示.（1）为了达到实验的目的，除了有打点计时器、纸带、小车、细绳、导线、低压交流电源、小木块、长木板外，还需要的仪器有　　　A.刻度尺　　　B.铁架台　　　C.停表　　　D.天平（2）图中两计数点的时间间隔为T=　　　s.（3）根据纸带提供的信息，小华同学已经计算出了打下1、2、3、4、6这五个计数点时小车的速度，请你帮助他计算出打下计数点5时小车的速度5=　　　m/s（结果保留3位有效数字），并填入表中.（4）以速度v为纵轴、时间t为横轴在图2坐标纸上建立直角坐标系，根据表中的v、t数据，在坐标系中描点，并作出小车运动的v﹣t图象.（5）根据v﹣t图象可知，小车运动的加速度大小为　　　m/s2（结果保留3位有效数字）.【答案】（1）A（2）0.1s（3）0.530（4）如图所示（5）0.417【解析】（1）因为打点计时器可以测量小车运动的时间，所以不需要秒表，该实验不需要测量小木块和小车的质量，不需要天平，在处理纸带时，需要刻度尺测量点迹间的距离.故选A.（2）交流电的频率为50Hz，知每隔0.02s打一个点，每两个相邻计数点间有四个点没有画出,知相邻计数点间的时间间隔为0.1s.第5个计数点的瞬时速度为：v5==0.530 m/s.（3）利用描点法可画出速度﹣时间图象：（4）根据v﹣t图象求出图线的斜率k，所以小车加速度a==0.417 m/s2.