高中物理人教版 (新课标)必修1第一章 运动的描述4 实验：用打点计时器测速度学案

4　实验：用打点计时器测速度

课堂合作探究

问题导学

一、打点计时器的原理及使用

活动与探究1

1．电磁打点计时器使用低压交流电源工作，能不能使用直流电源？为什么？

2．从原理上考虑，电火花计时器跟电磁打点计时器相比，哪个误差可能会更小？

3．关于打点计时器的使用说法正确的是（　　）

A．电磁打点计时器使用的是6 V以下的直流电源

B．在测量物体速度时，先让物体运动，后接通打点计时器的电源

C．使用的电源频率越高，打点的时间间隔就越小

D．电源的电压越高，打点的时间间隔就越小

迁移与应用1

打点计时器在纸带上的点迹，直接记录了（　　）

A．物体运动的时间

B．物体在不同时刻的位置

C．物体在不同时间内的位移

D．物体在不同时刻的速度

[来源:学科网ZXXK]

（1）两种计时器使用的都是交流电源，当电源的频率为50 Hz时，都每隔0.02 s打一次点。不过它们使用的工作电压不同，电磁打点计时器的工作电压在6 V以下，电火花计时器的工作电压是220 V。

（2）电火花计时器工作时，纸带运动时受到的阻力比较小，实验误差也就比较小。

（3）实验时，将打点计时器固定在桌子上，以免在拉纸带时晃动它，并要轻轻试拉纸带，应无明显阻滞现象，同时复写纸应该能随纸带的移动而移动。必要时，可通过定位轴的前后移动来调节复写纸的位置。

（4）若纸带上出现双点或漏点现象，可通过适当调整振动片的长度予以纠正；若纸带上出现拖痕和点迹不清，应调整振针长度。

二、实验步骤

活动与探究2

1．某学生在用打点计时器做“用打点计时器测速度”的实验，如图所示，其中有错误与不妥之处，请把它找出来。

2．实验前打点计时器是否需要固定？为什么？如果需要固定，固定前应如何做？

3．你认为使用打点计时器时，通电和拉纸带的顺序应是什么？手拉纸带的速度应快些还是慢些？为什么？

4．打点计时器能否工作较长时间？打点之后有必要立即关闭电源吗？

迁移与应用2

使用电火花计时器分析物体运动情况的实验中：

（1）在如下基本步骤中，正确的排列顺序为______。

A．把电火花计时器固定在桌子上

B．安装纸带

C．松开纸带让物体带着纸带运动

D．接通220 V交流电源

E．按下脉冲输出开关，进行打点

（2）在安装纸带时，要检查墨粉纸盘是否已经正确地套在______上，还要检查______是否夹在纸带之间。

实验步骤

（1）了解打点计时器的结构，然后把它固定在桌子上。[来源:Z.xx.k.Com]

（2）把电磁打点计时器的两个接线柱用导线与6 V的低压交流电源的接线柱相连接，让纸带穿过两个限位孔，压在复写纸的下面。

（3）接通电源，用手水平地拉动纸带，纸带上就打出一行小点，随后立即关闭电源。

（4）取下纸带，从能看得清的某个点数起，数一数纸带上共有多少个点。如果共有n个点，则用Δt＝0.02×（n－1） s计算出纸带的运动时间Δt。

（5）用刻度尺测量一下打下这些点纸带通过的距离Δx，利用公式＝计算纸带在这段时间内的平均速度。把测量和计算的结果填入表中。

三、纸带的测量和数据处理

活动与探究3

1．测量各计数点间的位移时，逐个测量较好，还是一次测出各计数点到起始计数点O的距离，再计算各计数点间的距离较好？

2．如图所示，打点计时器所用电源的频率为50 Hz，某次实验中得到一条纸带，用厘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，A、D间的平均速度是________ m/s；B点的瞬时速度更接近于________ m/s。

3．本实验在处理数据时误差的可能来源是什么？（至少找出两条）

迁移与应用3

在“用打点计时器测速度”的实验中，如图所示给出了从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＝1.40 cm，x2＝1.90 cm，x3＝2.38 cm，x4＝2.88 cm，x5＝3.39 cm，x6＝3.87 cm。那么：

（1）在计时器打出点4时，求小车的速度。

（2）在平面直角坐标系中作出速度—时间图象，并分析小车的速度如何变化。

（1）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＝、vB＝、vC＝、vD＝……。

（2）物体的运动也可以用图象描述，以速度v为纵轴，时间t为横轴，在方格纸上建立直角坐标系，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，即可得到如图所示的v－t图象。

当堂检测

1．打点计时器振针打点周期取决于（　　）

A．交流电源电压的高低　      B．交流电源的频率

C．永久性磁铁的磁性强弱      D．振针与复写纸间的距离

2．对电火花计时器和电磁打点计时器的有关说法中，正确的是（　　）

①电磁打点计时器和电火花计时器都是使用交流电源　②两种打点计时器的打点频率与交流电源的频率一样　③电火花打点计时器在纸带上打点也是靠振针和复写纸

④电磁打点计时器打点的是电火花和墨粉

A．①②　     B．③④      C．①③　      D．②④

3．利用打点计时器打下的纸带（　　）

A．能准确测出某点的瞬时速度

B．能近似测出某点的瞬时速度

C．能准确测出某段时间内的平均速度[来源:Z.xx.k.Com]

D．可用任意两点间的平均速度准确表示某点的瞬时速度

4．一学生在练习使用电磁打点计时器时，纸带上打出的不是点，而是一些短线，这可能是因为（　　）

A．打点计时器错接在直流电源上

B．电源电压不稳定

C．电源的频率不稳定

D．振针压得过紧

5．如图所示是拖动纸带时打点计时器打出的一条纸带，A、B、C、D、E为我们在纸带上所选的计数点，相邻计数点间的时间间隔为0.1 s，试估算打点计时器打下B、C、D各点时的瞬时速度：vB＝________ m/s，vC＝______ m/s，vD＝________ m/s。

答案：

课堂合作探究

【问题导学】

活动与探究1：1．答案：当线圈接上交流电源时，振片被磁化成一条形磁铁，其两端极性随线圈中电流方向的改变而周期性地变化。由于振片处于永久磁铁的两极之间，在磁场的作用下而产生振动，振片末端的振针就开始打点。直流电的电流方向不变化，故不能打点。

2．答案：电火花计时器在使用中运动阻力极小，这种极小阻力来自于纸带运动的本身，而不是打点产生的，因而系统误差小，计时精度与交流电源频率的稳定程度一致，同时它的操作简易，使用安全可靠。

3．C　解析：电磁打点计时器使用交流电源，A错；使用打点计时器时应先接通电源，后让物体运动，B错；打点的时间间隔T＝，f是电源频率，与电源的电压高低无关，所以C正确，D错误。

迁移与应用1：AB　解析：电火花打点计时器和电磁打点计时器都是每隔0.02 s在纸带上打一个点，因此，打在纸带上的点迹可直接反映物体的运动时间，因为纸带跟运动物体连在一起，打点计时器固定，所以纸带上的点迹就相应地记录了物体在不同时刻的位置。

用刻度尺量出各点迹间的间隔，可知道物体在不同时间内的位移，再根据速度公式可算出物体在不同时刻的速度，但这些量不是纸带上的点迹直接记录的。

活动与探究2：1．答案：电磁打点计时器必须接交流电源，而图中所接为直流电源，显然是个错误；开始时，小车离定滑轮端太近，向前运动的余地太小，致使纸带上的计时点过少，给测量带来不便，产生较大误差。

2．答案：（1）实验前，应将打点计时器固定好。

（2）以免拉动纸带时晃动。

（3）要先轻轻试拉纸带，应无明显的阻滞现象。

3．答案：（1）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。

（2）手拉动纸带时速度应快一些。

（3）以防点迹太密集。

4．答案：打点计时器不能连续工作太长时间，打点之后有必要立即关闭电源，以保护打点计时器。

迁移与应用2：答案：（1）ABDEC　（2）纸盘轴　墨粉纸盘

解析：根据实验原理，通过对实验仪器的观察，掌握新仪器的使用方法是一种重要的实验能力。电火花计时器的特点是：打点是靠放电针和墨粉纸盘之间的火花放电来实现的，故其操作步骤和电磁打点计时器是相似的。墨粉纸盘应套在纸盘轴上，使它可以转动，并被均匀地利用。墨粉纸盘夹在两条白纸带之间，目的是使墨粉纸盘可以更好地转动。

活动与探究3：1．答案：分段测量误差较大，减小分段测量计数点间的位移x带来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。读数时应估读到毫米的下一位，并且视线要与直尺垂直。

2．答案：0.35　0.43　0.35

解析：由题意知，相邻两点间的时间间隔为0.02 s，A、C两点间的距离为14 mm＝0.014 m，A、D两点间的距离为26 mm＝0.026 m。由公式v＝得vAC＝ m/s＝0.35 m/s，vAD＝ m/s≈0.43 m/s。B点的瞬时速度更接近A、C间的平均速度0.35 m/s。

3．答案：（1）当交流电的频率不稳定时，计数点间的时间Δt出现误差。

（2）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。

迁移与应用3：答案：（1）31.4 cm/s　（2）见解析

解析：（1）打点4时的速度，可用3、5两点间的平均速度表示，v4＝＝ cm/s≈31.4 cm/s。

（2）计算各段中间时刻速度见下表[来源:Zxxk.Com]

描点连线得其速度—时间图象如图所示

由图象可知小车速度均匀增加。

【当堂检测】

1．B　2．A　3．BC　4．D

5．答案：0.26　0.30　0.34