版物理《学案导学与随堂笔记》人教版必修1第一章4.docx
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版物理《学案导学与随堂笔记》人教版必修1第一章4
4实验:
用打点计时器测速度
[学习目标]1.了解两种打点计时器的结构和工作原理,并学会安装和使用.2.掌握测瞬时速度
的方法,会用打出的纸带求瞬时速度.3.会用图象表示速度随时间变化的规律.
一、打点计时器及其原理
1.作用及分类
打点计时器是一种使用交流(填“交流”或“直流”)电源的计时仪器,当电源频率为50Hz
时,它每隔0.02_s打一次点,打点计时器和纸带配合,可以记录物体运动的时间及在一段时
间内的位移,供高中学生实验用的计时器有电磁打点计时器和电火花计时器两种.
2.电磁打点计时器
(1)工作电压:
6_V以下的交流(填“交流”或“直流”)电源;
(2)原理:
接通电源后,在线圈和永久磁铁的作用下,振片便振动起来,带动其上的振针上下
振动.这时,如果纸带运动,振针就通过复写纸在纸带上留下一行小点.
3.电火花计时器
(1)工作电压:
220_V交流电源;
(2)原理:
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打出一行点迹.
4.两种计时器误差比较
电火花计时器使用中对纸带的运动阻力极小,因而系统误差较小.
二、练习使用打点计时器
1.实验步骤
(1)把打点计时器固定在桌子上并穿好纸带.
(2)把打点计时器的两个接线柱接到交流电源上
(电磁打点计时器接
6V
以下低压交流电,电火
花计时器接
220V
交流电
).
(3)先接通电源开关,再用手水平拉动纸带,纸带上就打下一行小点,随后立即关闭电源.
(4)取下纸带,从能看得清的某个点开始,往后数出若干个点,如果共有
n个点,那么
n个点
的间隔数为
n-1个,则纸带的运动时间
t=(n-1)×0.02s.
(5)用刻度尺测量出从开始计数的点到最后的点间的距离x.
x
(6)利用公式v=t计算出纸带在这段时间内的平均速度.
2.注意事项
(1)打点前,应使物体停在靠近(填“靠近”或“远离”)打点计时器的位置.
(2)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)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.
(4)对纸带进行测量时,不要分段测量各段的位移,正确的做法是一次测量完毕(可先统一测量
出各个计数点到起始点O之间的距离).读数时应估读到毫米的下一位.
三、用打点计时器测量瞬时速度
1.原理
纸带上某一位置的瞬时速度,可以粗略地由包含这一位置在内的一小段位移
x内的平均速
x
度表示,即根据
v=t,当
t或
x较小时,用这个平均速度代表纸带经过该位置的瞬时速
度.
如图1所示,E点的瞬时速度可用
D、F两点间的平均速度代表,即
vE=
x
t.
图
1
2.数据处理
(1)测量:
把纸带上能看得清的某个点作为起始点
如图2所示,依次测出各点到O点的距离,再算出
O,以后的点分别标上A、B、C、D⋯⋯,
OA、AB、BC⋯⋯的距离x1、x2、x3⋯⋯.
图2
(2)计算:
若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
x3+x4
x4+x5
⋯⋯.
、vC=
、vD=
2T
2T
2T
(3)列表比较:
把数据填入下表,根据数据判断纸带运动速度的变化情况
.
位置
ABCDEF
G
-1
v/(ms·)
3.注意
(1)为了减小实验误差,A、B、C、D⋯⋯不一定是连续计时点,比如可以每隔四个点选一个
点(称为计数点),此时两个计数点间的时间间隔T=0.1s.
(2)计算计数点的瞬时速度时,x、t应取此计数点前、后两个计数点之间的位移和时间,即
v=
xn+xn+1
.
2T
四、用图象表示速度
1.速度-时间图象(v-t图象)
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,即得到物体运动的
v-t图象.
2.v-t
图象的意义
v-t
图象非常直观地反映了速度随时间变化的情况,但它不是
(填“是”或“不是”
)物体运
动的轨迹.
例如,图3所示是某质点做直线运动的
v-t图象.
图3
由v-t图象可知在0~4s内速度随时间不断增大,表示质点做加速运动;在4~8s内速度
不随时间变化,表示质点做匀速运动;在8~10s内速度随时间不断减小,表示质点做减速
运动.质点在t=0时刻的速度为0.在5s末的速度大小为15m/s.
一、打点计时器的应用原理及操作
例1(多选)使用打点计时器测量瞬时速度时应注意()
A.电火花计时器使用的电源是220V的交流电源,电磁打点计时器使用的是直流
6V
以下
B.使用打点计时器时应先接通电源,再拉动纸带
C.使用打点计时器拉动纸带时,拉动的方向应与两限位孔平行
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
电磁打点计时器和电火花计时器都是使用交流电源,
故A错;实验时应当先接通电源,
再拉动纸带,故
B正确;为了减小摩擦,拉动纸带的方向应当与限位孔平行,故
C正确;打
点计时器不能长时间连续工作,故
D正确.
二、瞬时速度的计算和速度图象的画法
例
2
打点计时器所用电源的频率为
50Hz,某次实验中得到一条纸带,用毫米刻度尺测量
的情况如图4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.(结果保留两位小数)
图4
答案
0.35
0.420.35
解析
由题意知,相邻两点间的时间间隔为0.02s.
A、C间的距离为14mm=0.014m.
A、C间对应的时间为
0.02×2s=0.04s.
A、D间的距离为25mm=0.025m.
A、D间对应的时间为
0.02×3s=0.06s
x
0.014
由公式v=
t
得:
vAC=2×0.02m/s=0.35m/s,
vAD=
0.025
m/s≈0.42m/s.
3×0.02
B点的瞬时速度更接近于
A、C间的平均速度.
例3
某同学在“用打点计时器测速度”的实验中,
用打点计时器记录了被小车拖动的纸带
的运动情况,在纸带上确定出
A、B、C、D、E、F、G共7个计数点.相邻计数点间的距离
如图5所示,每两个相邻的计数点之间的时间间隔为
0.1s.(本题计算结果均保留3位有效数
字)
图5
(1)在实验中,使用打点计时器时应先________再________(填“释放纸带”或“接通电源”).
(2)每两个计数点间还有________个点没有标出.
(3)试根据纸带上各个计数点间的距离,每隔
0.1s测一次速度,计算出打下
B、C、D
三个
点时小车的瞬时速度,并将各个速度值填入下表.
vB
vC
vD
vE
vF
数值(m/s)
0.640
0.721
(4)将
B、C、D、E、F
各个时刻的瞬时速度标在图
6直角坐标系中,并画出小车的瞬时速度
随时间变化的关系图线.
图6
答案
(1)接通电源释放纸带
(2)4(3)0.400
0.4790.560(4)见解析图
解析
(1)在实验中,使用打点计时器时应先接通电源,再释放纸带.
(2)每两个计数点间还有n=Tt-1=0.020.1ss-1=4个点没有标出.
3.62+4.38×10-2
(3)vB=
m/s=0.400m/s;
2×0.1
5.20+4.38×10-2
vC=
m/s=0.479m/s;
2×0.1
5.20+5.99×10-2
m/s≈0.560m/s.
vD=
2×0.1
(4)图线如图所示:
1.练习使用打点计时器时,接通电源与释放纸带让纸带(随物体)开始运动,这两项操作的先
后顺序是()
A.先释放纸带,后接通电源
B.先接通电源,后释放纸带
C.释放纸带的同时接通电源
D.先接通电源或先释放纸带都可以
答案B
解析开始记录时,应先给打点计时器通电打点,然后释放纸带,如果先放开纸带,再接通
打点计时器的电源,会导致物体运动较快,不利于数据的采集和处理,会对实验产生较大的
误差;同时先打点再释放纸带,可以使打点稳定,提高纸带利用率,可以使纸带上打满点,
A、C、D错误,B正确.
2.你左手拿一块表,右手拿一支笔,当你的合作伙伴沿直线拉动一条纸带,使纸带在你的笔
下向前移动时,每隔1s用笔在纸带上点下一个点,这就做成了一台“打点计时器”.如果
在纸带上点下了
10个点,则在打下的这些点的过程中,纸带的运动时间是
(
)
A.1s
B.9s
C.10s
D.11s
答案
B
解析
每隔
1s用笔在纸带上点下一个点,如果在纸带上点下了
10个点,也就有
9个时间间
隔,所以纸带的运动时间是
9s.故选
B.
3.如图
7所示是一条打点计时器打出的纸带,
0、1、2、3、4、5、6是七个计数点,每相邻
两个计数点之间还有四个点未画出,各计数点到
0的距离如图所示.
图7
(1)求出2、4计数点的瞬时速度并填入表格.
v1
v2
v3
v4
v5
数值(m/s)
0.20
0.61
0.70
(2)在坐标纸中画出质点的速度—时间图象.
答案
(1)0.400.69
(2)见解析图
解析
两计数点间的时间间隔是
T=0.1s
v2=x13=
9.0-1.0×10-2
m/s=0.40m/s
2T
2×0.1
v4=x35=
22.8-9.0×10-2
m/s=0.69m/s
2×0.1
2T
根据题
(1)表格中数据在直角坐标系中描点,然后连线得到图象如图所示.
课时作业
一、选择题(1~5为单项选择题)
1.根据打点计时器打出的纸带,我们不用测量或计算就能直接得到的物理量是
(
)
A.时间间隔B.位移
C.路程D.速度
答案
A
2.关于打点计时器的时间间隔,下列是四位同学各自发表的看法,其中正确的是
(
)
A.电源电压越高,每打两个点的时间间隔就越短
B.纸带速度越大,每打两个点的时间间隔越长
C.打点计时器连续打两个点的时间间隔由电源的频率决定
D.如果将交流电源改为直流电源,打点计时器连续打两个点的时间间隔保持不变
答案
C
3.在实验中,某同学得到一条打点清晰的纸带如图
1所示,要求测出
D点的瞬时速度.本
实验采用包含
D点在内的一段间隔中的平均速度来粗略地代表
D点的瞬时速度,下列几种方
法中最准确的是
(
)
图1
A.
AG
=vD,t1=0.14s
t1
B.
BE=vD,t2=0.06s
t2
CE
C.
t3=vD,t3=0.1s
D.
CE=vD,t4=0.04s
t4
答案
D
4.关于打点计时器,下列说法正确的是()
A.纸带上打的点越密,说明物体运动得越快
B.电火花计时器使用的是220V交流电源
C.电火花计时器比电磁打点计时器打点频率高
D.实验时应先释放小车,后接通打点计时器的电源
答案
B
解析
纸带上打的点越密,说明物体运动越慢,
A错误;电火花计时器使用的是
220V交流
电源,B正确;两种计时器电源频率都是
50Hz,C错误;实验时应先接通打点计时器的电源,
后释放小车,D错误.
5.手拖动纸带经过打点计时器
(所用交流电的周期是0.02s)后,在纸带上留下的点中有
6个
连续清晰的点,测出这
6个点的第1点到第6点的距离为36cm,则下列判断中正确的是(
)
A.手运动的平均速度大小为
0.06m/s
B.手运动的平均速度大小为
3m/s
C.手运动的平均速度大小为
3.6m/s
D.手运动的平均速度大小为
360m/s
答案
C
x
解析
打点计时器每隔
0.02
s打一个点,根据平均速度的公式
v=t可以求得运动的平均速
x
度的大小.第1点到第
6点的时间间隔为
0.1s,由v=t可得,平均速度v=3.6m/s,所以C
正确.
二、非选择题
6.打点计时器交流电源频率是50Hz,则打点周期是________,实验得到做匀变速运动的纸
带上A、B两点与B、C两点之间各有三个点,如图2所示,则相邻计数点的时间间隔是
________.若测得x1=15cm,x2=19cm,则B点的瞬时速度是______m/s.(结果保留
3位有
效数字)
图
2
答案0.02s0.08s2.13
7.在“用打点计时器测速度”的实验中
(1)下列操作中正确的是________(填选项序号
)
A.在释放小车前,小车要靠近打点计时器
B.打点计时器应放在长木板有滑轮的一端
C.先接通电源,后释放小车
D.电火花计时器应使用低压交流电源
(2)如图
3所示为同一打点计时器在四条水平运动的纸带上打出的点,四条纸带的
a、b
间的
间距相等,则
a、b间的平均速度最小的是
________.
图3
答案
(1)AC
(2)D
8.用气垫导轨和数字计时器能更精确地测量物体的瞬时速度.
如图4所示,滑块在牵引力作
用下先后通过两个光电门,配套的数字毫秒计记录了遮光板通过第一个光电门的时间为
t1
=0.29s,通过第二个光电门的时间为
t2=0.11s,已知遮光板的宽度为3.0cm,则滑块通过
第一个光电门的速度为________,通过第二个光电门的速度为
________.
图4
答案
0.10m/s
0.27m/s
解析
由于滑块经过光电门时遮光板的挡光时间较短,所以滑块经过光电门的速度可用遮光
板挡光时间内的平均速度表示.
经过第一个光电门的速度
v1=d
=
3.0×10-2
m/s≈0.10m/s,经过第二个光电门的速度v2
0.29
t
1
=d
3.0×10-2
m/s≈0.27m/s.
=
t2
0.11
9.在“用打点计时器测速度”的实验中,打点计时器使用的交流电的频率为
50Hz,记录小
车运动的纸带如图
5所示,在纸带上选择0、1、2、3、4、5共六个计数点,相邻两计数点之
间还有四个点未画出,
纸带旁并排放着带有最小分度为
1mm的刻度尺,零点跟“0”计数点
对齐,由图可以读出三个计数点
1、3、5跟0点的距离并填入表格中.
图5
距离
x1
x2
x3
测量值/cm
计算小车通过计数点“
2”的瞬时速度为
v2=______m/s.
答案
距离
x1
x2
x3
测量值/cm
1.20
5.40
12.00
0.21
解析
x1=1.20cm,x2=5.40cm,x3=12.00cm.每两个相邻计数点间的时间间隔
T=0.10s,
5.40-1.20
×10-2m/s=0.21m/s.
v2=x13=
2T
2×0.10
10.如图6所示是用打点计时器测瞬时速度实验时得到的一条纸带的一部分,从
0点开始依
照打点的先后依次标为
0、1、2、3、4、5、6,现在量得
0、1间的距离x1=5.18cm,1、2间
的距离x2=4.40cm,2、3间的距离x3=3.62cm,3、4间的距离x4=2.78cm,4、5间的距离x5
=2.00cm,5、6间的距离x6=1.22cm.(f=50Hz)
图6
(1)根据上面数据,计算打点计时器打
1、2、3、4、5点时的速度并填在下表中.
(计算结果在
小数点后保留
1位有效数字)
计数点
12345
-1
v/(ms·)
(2)根据
(1)中表格,在图7中画出小车的速度-时间图象,并说明小车速度变化特点.
图7
答案见解析
x1+x2
解析
(1)由于电源频率
f=50Hz,所以打点计时器的打点时间间隔
T=0.02s,v1=4T≈
1.2m/s;v2=
x2+x3
x3+x4
x4+x5
x5+x6
≈1.0m/s;v3=
=0.8m/s;v4=
≈0.6m/s;v5=
≈0.4m/s.
4T
4T
4T
4T
计数点
1
2
3
4
5
-1
)
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
v/(ms·
(2)如图所示
通过速度-时间图象可以看出小车的速度随时间在均匀减小.
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