高中物理人教版必修一导学案：第一章第四节+实验：用打点计时器测速度

高中物理人教版必修一导学案：第一章第四节+实验：用打点计时器测速度

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 v ＝Δx Δt 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。 实验 次数 点数 n 点划分 出的间隔 数 n－1 运动时间 Δt/s 位移 Δx/m 平均速度 v /（m·s－1） 1 2 [来源:Zxxk.Com] 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＝x1＋x2 2T 、 vB＝x2＋x3 2T 、vC＝x3＋x4 2T 、vD＝x4＋x5 2T ……。 （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＝1 f ，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＝Δx Δt 得 vAC＝ 0.014 2×0.02 m/s＝0.35 m/s， vAD＝ 0.026 3×0.02 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＝x4＋x5 Δt ＝2.88＋3.39 0.2 cm/s≈31.4 cm/s。 （2）计算各段中间时刻速度见下表[来源:Zxxk.Com] 位置 1 2 3 4 5 速度 v/（cm·s－1） 16.5 21.4 26.3 31.4 36.3 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