高中物理必修一纸带问题分析 要点分析BWord文件下载.docx
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2.电磁打点计时器的原理
电磁打点计时器是利用电磁原理打点计时的一种仪器,它的工作原理可以用图甲、乙来说明.当线圈中通入的交流电为正半周时,设电流方向如图甲所示,则线圈中被磁化的钢制簧片左端为N极,永久磁铁使簧片受到一个向下的力;
当交流电转为负半周时,电流方向如图乙所示,簧片左端变为S极,永久磁铁使簧片受到一个向上的力.随着交变电流方向的周期性变化,簧片周期性地受到向下、向上的力就振动起来.位于簧片一端的振针随簧片的振动而在复写纸上打点.如果在复写纸下有运动的纸带,振针就在纸带上打出了一系列的点.交流电源的频率为50Hz时,它每隔0.02s打一个点,即打出的纸带上每相邻两点间的时间间隔是0.02s.
3.电火花计时器的工作原理
电火花计时器的原理与电磁打点计时器相同,不过在纸带上打点的不是振针和复写纸,而是电火花和墨粉,它是利用火花放电在纸带上打出小孔而显示点迹的计时仪器.使用时,墨粉纸盘套在纸盘轴上,把纸带穿过限位孔.当接通电源、按下脉冲输出开关时,计时器发出的脉冲电流经放电针、墨粉纸盘到纸盘轴,产生火花放电,于是在运动的纸带上就打出一行点迹.当电源频率是50Hz时,也是每隔0.02s打一次点.
4.电磁打点计时器与电火花计时器的比较
①两种计时器使用的都是交流电源;
当电源的频率为50Hz时,都是每隔0.02s打一个点.
②电磁打点计时器使用4~6V交流电,电火花打点计时器工作电压是220V交流电.
③无论是使用电磁打点计时器还是使用电火花计时器,打出的纸带上的点,都记录了纸带运动的时间.如果纸带是跟物体连接在一起的,纸带上的点就相应地表示出了运动物体在不同时刻的位置,研究点之间的距离,就可以了解在不同时间里物体发生的位移、速度的大小和变化情况.
④电火花计时器工作时纸带运动受到的阻力比较小,实验误差较小.
5.使用打点计时器的注意事项
①会安装复写纸,并且会调节复写纸的位置,将纸带从复写纸下穿过.将计时器接入50Hz交流电源,从交流4V开始,观察振片振动情况,若振片振幅较小,再升高电压至6V;
对电火花计时器,应将墨粉纸盘套在纸盘轴上,两条纸带要对齐穿过限位孔,墨粉纸盘夹在中间,使用220V交流电源.
②开启打点计时器,待1~2s再拖动纸带打出点,观察点迹是否清晰,打完纸带后,立即关闭电源.
③在纸带上打不出点或点迹颜色过淡情况下,纠正时大致从以下方面注意:
电源电压较低情况下,可适当提高(对电火花计时器这种情况较少);
调整复写纸位置或更换复写纸(或墨粉纸盘);
调整打点计时器.
④调整打点计时器.如果打不出点,首先要检查压纸框的位置是否升高,阻碍了振片上的振针打不到纸带上,若是,可将压纸框向下压,恢复到原来的位置.这种情况一般是由于操作不当引起的.另外也可能是振片没有工作,在共振情况下,此时可松动固定振片的螺丝,适当调节振片位置,紧固后观察振幅,若达到或接近共振状态即可正常工作.如果振片振动较大仍打不出点,可调整振针的位置,直到打出点为止.若振针向下调节过长,则打点的声音过大,且易出现双点,调节时要仔细.
⑤如果将打点计时器错接在学生电源的直流电源上(非稳压电源),也能在纸带上打出点迹,这是因为直流输出单向脉冲电流,频率为100Hz,会导致数据处理时错误.
⑥使用电火花计时器时,若用一条纸带要将纸带压在墨粉纸盘下,打完一条纸带后要将墨粉纸盘转一角度再打另一纸带,否则会只用纸盘的某一位置,打出的点迹颜色较淡;
若使用双纸带,将墨粉纸盘夹在中间,拖动时由于两条纸带的摩擦作用,墨粉纸盘会随纸带转动,电火花将墨粉纸盘上不同位置的墨粉蒸发到纸带上,点迹颜色较重,而上面的纸带没有点迹,可重复使用,但用两条纸带时摩擦阻力较大.不管用哪种方法,打完纸带后都应立即关闭电源.
要点二、实验原理和步骤、注意事项
1.实验目的
①进一步练习打点计器的使用、纸带数据处理和测量瞬时速度的方法.
②利用打点纸带研究小车的运动情况,分析小车的速度随时间变化的规律.
2.实验器材
附有滑轮的长木板、小车、带小钩的细线、钩码若干、打点计时器、纸带、刻度尺、导线、交流电源.
3.实验原理
把纸带跟运动物体连接在一起,并穿过打点计时器,这样纸带上的点不但记录了物体的运动时间,而且相应地表示运动物体在不同时刻的位置,研究这些点的情况,就可以了解物体的运动情况.
4.实验步骤
①把附有滑轮的长木板放在实验台上,并使滑轮伸出桌面,把打点计时器固定在长木板上没有滑轮的一端,连接好电路,如图所示.
②把一条细绳拴在小车上,使细绳跨过滑轮,下面挂上合适的钩码.放手后,看小车能否在木板上平衡地加速滑行,然后把纸带穿过打点计时器,并把纸带的一端固定在车的后面.
③使小车停在打点计时器处,先接通电源,后释放小车,让小车拖着纸带运动,打点计时器就在纸带上打下一列小点,再按同样的方法(不改变钩码个数)打出两条纸带.从这三条纸带中选用一条最清晰的,记录为纸带Ⅰ.
④增加一个钩码,按上述方法打出纸带Ⅱ.
⑤在打纸带I时的基础上减少一个钩码,仍按上述方法打出纸带Ⅲ.
⑥整理器材.
5.注意事项
(1)平行:
纸带和细绳要和木板平行.
(2)一先一后:
实验中应先接通电源,后让小车运动;
实验后应先断开电源后取纸带.
(3)防止碰撞:
在到达长木板末端前应让小车停止运动,要防止钩码落地和小车与滑轮相撞.
(4)减小误差:
小车的加速度宜适当大些,可以减小长度的测量误差,加速度大小以能在约50cm的纸带上清楚地取出6~7个计数点为宜.
(5)弄清间隔:
要区别计时器打出的点与人为选取的计数点,一般在纸带上每隔四个点取一个计数点,即时间间隔为T=0.02×
5s=0.1s.
(6)仔细描点:
描点时最好用坐标纸,在纵、横轴上选取合适的单位.用细铅笔认真描点.
要点三、实验数据的处理
1.纸带上点的意义
①表示和纸带相连的物体在不同时刻的位置.
②通过研究纸带上各点之间的间隔,可以判断物体的运动情况.
③可以利用纸带上打出的点来确定计数点间的时间间隔.
2.纸带的选取
从三条纸带上选择一条比较理想的纸带,舍掉开头一些比较密集的点,在后边便于测量的地方找一个开始点来确定计数点.为计算方便和减小误差,通常用连续打五个点的时间作为时间间隔,即T=0.1s.
3.采集数据的方法
如图所示,不直接测量两个计数点间的距离,而是要先量出各个计数点到计时零点的距离x1、x2、x3、x4…然后再计算出相邻的两个计数点的距离.
,
.
4.根据纸带分析物体的运动情况并计算速度
(1)根据纸带分析物体的运动情况并计算平均速度
①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.
②根据
,求出任意两点间的平均速度,这里△x可以用直尺测量出两点间的距离,△x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.
(2)粗略计算瞬时速度
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,
或
【说明】在粗略计算E点的瞬时速度时,可利用
公式来求解,但需注意的是,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个点.
各计数点的瞬时速度用平均速度来代替,即
…(△t为相邻两个计数点之间的时间间隔)
将各计数点对应的时刻及瞬时速度填入下表中:
计数点位置编号n
1
2
3
4
5
6
时间t/s
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
相邻两计数点间的距离s/m
对应计数点的速度v/(m·
s-1)
5.由实验数据得到v-t图象
①如何由实验数据得出v-t图象
有了原始实验数据,如何更好地确定运动规律呢?
最好的方法是作v-t图象,具体的运动规律便能直接显现.
根据表格中的v、t数据,在直角坐标系中仔细描点.作一条直线,使同一次实验得到的各点尽量落到这条直线上,落不到直线上的各点,应均匀分布在直线的两侧,这条直线就是本次实验的v-t图象,它是一条倾斜的直线,如图所示.
②如何由实验得出的v-t图象进一步得出小车运动的速度随时间变化的规律
可以从两条途径进行:
一是通过直接分析图象(如图所示)的特点得到.小车运动的v-t图象是一条倾斜的直线,那么当时间增加相同的值△t,速度也会增加相同的值△v.也就可得出结论:
小车的速度随时间均匀增加(或变化).
二是通过图象写出函数关系式进一步得到结论,既然小车的v-t图象是一条倾斜的直线,那么v随t变化的函数关系式为v=kt+b,显然v与t成“线性关系”小车的速度随时间均匀增加(或变化).
6.由纸带求加速度的方法
由图所示的纸带各计数点1、2、3、4、5…所对应的速度分别是v1、v2、v3、v4、v5…T为计数点间的时间间隔.
,…,
求加速度的平均值
从结果看,真正参与运算的只有v1和vn+1,中间各点的瞬时速度在运算中都未起作用.
方法二:
逐差法求
,则
这样可使各点的瞬时速度都参与了运算,可减小误差.比较两种方法,“方法二”比“方法一”好,一般不用方法一.
方法三:
由图象求加速度
由多组数据描绘出v-t图象,v-t图象的直线斜率即为物体运动的加速度.
三种方法中,最准确,科学的是方法三,不过较繁一点.
要点四、一些利用现代技术测速度的方法
除用打点计时器测速度外,还可用以下的方法进行测量:
(1)借助传感器用计算机测速度
如图所示是一种运动传感器的原理图,这个系统由A、B两个小盒子组成.将红外线、超声波发射器A盒固定在小车上,接收传感器B盒固定在某一位置并调整其高度与传感器A等高.小车上A盒发射器对着接收器B,并处在同一直线上.将接收传感器B探测到的红外线、超声波到达的时间差等数据输入计算机,利用专门软件可以分析小车的位移与时间的关系.将这些位移和对应的时间差再利用计算机进行处理,就可以分析小车的速度随时间的变化.根据小车的两个位置变化可求得△x,两位置的时间差为△t,则小车速度
(2)利用光电门测瞬时速度
实验装置如图所示,使一辆小车从一端垫高的木板上滑下,木板旁装有光电门,其中A管发出光线,B管接收光线.当固定在车上的遮光板通过光电门时,光线被阻挡,记录仪上可以直接读出光线被阻挡的时间.这段时问就是遮光板通过光电门的时间.根据遮光板的宽度△x和测出的时间△t,就可以算出遮光板通过光电门的平均速度
.由于遮光板的宽度△x很小,因此可以认为,这个平均速度就是小车通过光电门的瞬时速度.
(3)利用频闪照相分析计算物体的速度
频闪照相法是一种利用照相技术,每间隔一定时间曝光,从而形成间隔相同时间的影像的方法.在频闪照相中会用到频闪灯,它每隔相等时间闪光一次,例如每隔0.1s闪光一次,即每秒闪光10次.当物体运动时,利用频闪灯照明,照相机可以拍摄出该物体每隔相等时间所到达的位置.通过这种
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