實驗:用打點計時器測速度一、實驗目的1.了解打點計時器的結(jié)構(gòu)、原理及使用方法。2.學會用打點計時器測量物體的速度。3.能利用v-t圖象分析實驗數(shù)據(jù),描述物體的運動。二、實驗器材 電磁打點計時器(或電火花計時器)、學生電源、復寫紙、導線、刻度尺、紙帶、坐標紙。三、實驗原理與設(shè)計1.兩種打點計時器的比較: 電磁打點計時器電火花計時器結(jié)構(gòu)示意圖打點原電磁作用下振針上下周期性振動打點 脈沖電流經(jīng)放電針、墨粉紙盤到紙盤軸放電打點 工作電6 V以下交流電源220 V交流電源打點周0.02 s0.02 s阻力來紙帶與限位孔、復寫紙的摩擦,紙帶與振針的摩擦紙帶與限位孔、墨粉紙盤的摩擦,比前者小功能功能相同,都是計時儀器2.兩種打點計時器的打點原理:(1)電火花計時器的工作原理:使用時,墨粉紙盤套在紙盤軸上,把紙帶穿過限位孔。當接通電源、按下脈沖輸出開關(guān)時,計時器發(fā)出的脈沖電流經(jīng)放電針、墨粉紙盤到紙盤軸,產(chǎn)生電火花放電,于是在運動的紙帶上就打出一行點跡。(2)電磁打點計時器的工作原理:用限位孔限定紙帶,復寫紙壓在紙帶的上面(選填“上面”或“下面”),通電,振片帶動振針打點。若紙帶運動,其上就會留下一行小點。3.根據(jù)紙帶計算平均速度:根據(jù)v=可求出任意兩點間的平均速度,Δx是紙帶上兩點間的距離,利用刻度尺測量,Δt是這兩點間的時間間隔。4.粗略計算瞬時速度:紙帶上某點的瞬時速度可以粗略地由包含該點在內(nèi)的相距較近的兩點間的平均速度來表示。 實驗步驟 (1)了解打點計時器的結(jié)構(gòu),然后把它固定在桌子上。(2)把電磁打點計時器的兩個接線柱用導線與6 V的低壓交流電源的接線柱相連接,讓紙帶穿過兩個限位孔,壓在復寫紙的下面(或把電火花計時器與220 V交流電源連接,把紙帶穿好,壓在墨粉紙盤下面)。(3)接通電源,用手水平地拉動紙帶,紙帶上就打出一行小點,隨后立即關(guān)閉電源。(4)重復步驟(2)(3),獲得3~5條紙帶。(5)選擇一條點跡清晰便于分析的紙帶,往后數(shù)n個點,n個點之間的間隔數(shù)為(n-1),紙帶從打第1個點到打第n個點的運動時間Δt=0.02(n-1) s。(6)用刻度尺測量出第1個點到第n個點間的距離Δx。(1)電磁打點計時器用干電池或者蓄電池供電行不行?提示:不行,打點計時器的工作電壓為交流電,干電池、蓄電池輸出的都是直流電。(2)如何確定打點計時器的時間間隔?提示:如果頻率是50 Hz,打點周期T為0.02 s,即T=。 數(shù)據(jù)收集與分析 1.計算紙帶的平均速度:從打第1個點到打第n個點,紙帶的運動時間為Δt=0.02(n-1)s,紙帶的位移為Δx,紙帶的平均速度v=。把測量和計算的結(jié)果填入表中。實驗次數(shù)數(shù)n點劃分出的間隔數(shù)n-1運動時間Δt/s位移Δx/m平均速度v/(m·s-1)1     2     2.用打點計時器測量瞬時速度:(1)選取一條點跡清晰便于分析的紙帶。(2)從能夠看清的某個點開始,每隔四個點取一個計數(shù)點,每兩個計數(shù)點間的時間間隔T=5×0.02 s=0.1 s。在紙帶上用O、A、B、C、D…標出這些“計數(shù)點”,如圖所示。用刻度尺依次測出OA、OB、OC、OD…的距離是s1、s2、s3、s4…,再利用x1=s1、x2=s2-s1、x3=s3-s2、x4=s4-s3…確定出OA、AB、BC、CD…之間的距離x1、x2、x3、x4(3)A、B、C、D…各點的瞬時速度分別為vA、vB、vC、vD3.用v -t圖象描述物體的速度:(1)以速度v為縱軸,時間t為橫軸建立直角坐標系。(2)根據(jù)不同時刻的瞬時速度值,在坐標系中描點。(3)用平滑曲線把這些點連接起來,即得到v -t圖象。怎樣根據(jù)紙帶上的點跡判斷物體運動的快慢?提示:在時間間隔相同時,兩點之間距離越遠,表示速度越大;如果在同一條紙帶上,點越來越密,說明速度越來越小;如果點越來越疏,說明速度越來越大。 誤差分析 (1)位移Δx的選取:利用平均速度來代替計數(shù)點的瞬時速度會帶來系統(tǒng)誤差。為減小誤差,應取以計數(shù)點為中心的較小位移Δx來求平均速度。 (2)距離的測量:分段測量計數(shù)點間的位移x會帶來誤差。減小此誤差的方法是一次測量完成,即一次測出各計數(shù)點到起始計數(shù)點O的距離,再分別計算出各計數(shù)點間的距離。(3)選取合適的坐標單位:作圖時,描點、連線存在偶然誤差。為減小誤差,應選取合適的坐標單位,利用坐標紙作圖。 注意事項 (1)如果在紙帶上數(shù)出了n個點,那么,它們的間隔數(shù)是(n-1)個,它們的時間間隔為(n-1)×0.02 s。(2)使用打點計時器打點時,應先接通電源,待打點計時器打點穩(wěn)定后,再拉動紙帶。(3)手拉動紙帶時速度應快一些,以防點跡太密集。(4)使用電火花計時器時,應注意把紙帶正確穿好,墨粉紙盤位于紙帶上方,使用電磁打點計時器時,應讓紙帶穿過限位孔,壓在復寫紙下面。(5)為了減小實驗誤差,計數(shù)點要每隔T=0.1 s選一個,即每隔四個點取一個計數(shù)點,而計算計數(shù)點的瞬時速度時,Δx、Δt應取此計數(shù)點前、后兩個點之間的位移和時間,即vn(6)打點計時器不能連續(xù)工作太長時間,打點之后應立即關(guān)閉電源。(7)對紙帶進行測量時,不要分段測量各段的位移,正確的做法是一次測量完畢(可先統(tǒng)一測量出各個測量點到起始點O之間的距離)。讀數(shù)時應估讀到毫米的下一位。(8)實驗前要檢查打點的穩(wěn)定性和清晰程度,必要時要進行調(diào)節(jié)或更換器材。類型一 教材原型實驗角度1實驗原理和實驗操作【典例1】研究“用打點計時器測速度”的實驗:(1)(多選)實驗中,除電磁打點計時器(含紙帶、復寫紙)、小車、一端帶定滑輪的長木板、導線及開關(guān)外,在下面的儀器和器材中,必須使用的有__________。(填選項代號)A.電壓合適的50 Hz低壓交流電源B.電壓可調(diào)的直流電源C.刻度尺D.秒表E.天平(2)(多選)對于減小實驗誤差來說,下列采取的方法中正確的有__________。A.選取合適的n個點為計數(shù)點B.使小車運動得盡量慢些C.舍去紙帶上密集的點,只利用點跡清晰、點間間隔適當?shù)哪且徊糠诌M行測量、計算D.選用各處平整程度、光滑程度相同的長木板做實驗E.實驗時盡量讓小車遠離打點計時器,釋放小車后再接通電源【解析】(1)實驗中必須使用的有電壓合適的50 Hz低壓交流電源,計算速度時需要測量各點間的距離,因此還必須使用刻度尺,故A、C正確。(2)選取合適的n個點為計數(shù)點,有利于測量長度,能使平均速度與瞬時速度更接近,以減小實驗誤差,選項A正確;使小車運動得盡量慢些,打出的點較密,取點會較多,會使實驗誤差較大,選項B錯誤;舍去紙帶上密集的點,只利用點跡清晰、點間間隔適當?shù)哪且徊糠诌M行測量、計算,這樣可減小實驗誤差,選項C正確;選用各處平整程度、光滑程度相同的長木板做實驗,可使小車運動比較平穩(wěn),各點的瞬時速度與實際更接近,可減小實驗誤差,選項D正確;若小車遠離打點計時器,且先釋放小車后接通電源,會造成點密而少,給測量、計算結(jié)果造成較大誤差,選項E錯誤。答案:(1)A、C (2)A、C、D角度2實驗數(shù)據(jù)處理【典例2】某次用打點計時器測速度的實驗中得到一條紙帶,用毫米刻度尺測量這條紙帶的情況如圖所示,紙帶上計時起點O點與刻度尺的0刻度線對齊,點A、B、C、D、E、F、G、H依次表示點O以后連續(xù)的各點。計時點ABCDEFGH時刻/s0.020.040.060.080.100.120.140.16位置/mm        瞬時速度(×101m·s-1)        (1)由刻度尺讀出A、B、C、D、E、F、G、H各點到點O的距離,并填入表格中。(2)計算A、B、C、D、E、F、G各點的瞬時速度,并填入表格中。(3)由表格中的數(shù)據(jù)在如圖所示坐標系中作出v-t圖象,并說明物體的速度隨時間是如何變化的。【解析】(1)毫米刻度尺最小刻度為1 mm,估讀到0.1 mm,各個位置讀數(shù)如表:計時點ABCDEFGH時刻/s0.020.040.060.080.100.120.140.16位置/mm1.56.013.026.543.063.087.5115.0(2)某點的瞬時速度可用含有該點的一段位移內(nèi)的平均速度代替,計算時所取位移的兩端點離該點越近,平均速度越接近該點的瞬時速度,故vAOB×103 m/s=1.5×101 m/svBAC×103 m/s=2.9×101 m/s用相同的方法可求出其他點的瞬時速度:計時點ABCDEFGH時刻/s0.020.040.060.080.100.120.140.16位置/mm1.56.013.026.543.063.087.5115.0瞬時速度 (101m·s-1)1.52.95.17.59.111.113.0 (3)由表格中速度及對應的時刻在坐標系中描點,使盡量多的點分布在所作直線上,便可得到物體的v-t圖象,如圖所示。由v-t圖象可知,物體的速度隨時間逐漸增大,v與t之間基本上是線性關(guān)系。答案:見解析類型二 創(chuàng)新型實驗【典例3】某同學想研究一遙控電動車的運動情況,他找來一個塑料瓶,設(shè)計了一個如圖甲所示的裝置,瓶內(nèi)裝上墨水,通過調(diào)節(jié)開關(guān)使墨水緩慢滴下,然后將這個裝置固定在車的尾部,如圖乙所示。使車從靜止開始在足夠大的水平地面上沿直線前進,然后他在離出發(fā)點不遠處,選擇墨水滴間距離較大處的一個點為起點,用卷尺依次測量這個點后面的10個點到這個點的距離,并記錄在表格中。 12345678910距離(m)0.4221.5463.0764.8906.8138.71310.64512.57114.48316.429(1)該同學制作的裝置相當于物理實驗室中的________________(填儀器名稱)。(2)通過表中數(shù)據(jù),你認為小車在所記錄的這段時間內(nèi)的運動情況是__________________________________________________________________。(請描述出速度的變化情況)(3)要測量小車做勻速運動時的速度,該同學還需要知道的物理量是__________________________________________________________________,他還需要的測量工具是________。【解析】(1)該同學制作的裝置相當于物理實驗室中的打點計時器。(2)依據(jù)表格中數(shù)據(jù)看出,在開始階段小車在相鄰相等時間內(nèi)的位移逐漸增大,即小車先做加速運動;后階段在相等時間內(nèi),位移相等,即小車做勻速運動。 (3)要測量小車做勻速運動時的速度,該同學還需要知道的物理量是相鄰兩墨水滴下的時間間隔T或勻速運動的時間t ,他還需要的測量工具是秒表。答案:(1)打點計時器(2)先做加速運動,后做勻速運動(3)相鄰兩墨水滴下的時間間隔T或勻速運動的時間t 秒表 【創(chuàng)新評價】創(chuàng)新角度創(chuàng)新措施實驗器材的創(chuàng)新在瓶內(nèi)裝上墨水,通過調(diào)節(jié)開關(guān)使墨水緩慢滴下,來代替打點計時器打點計時【創(chuàng)新探究】(1)使用在瓶內(nèi)裝墨水,通過調(diào)節(jié)開關(guān)使墨水緩慢滴下這種裝置能否準確地測量時間間隔?提示:不能,只能判斷小車速度的變化。(2)使用這種裝置對插入瓶中的兩個管有什么要求?提示:讓豎直管的上管口一直在帶開關(guān)的上管口之上。1(多選)關(guān)于打點計時器的使用,下列說法中正確的是(  )A.打點計時器應用低壓交流電源,交流電頻率為50 HzB.紙帶必須穿過限位孔,并注意把紙帶壓在復寫紙的上面C.要先通電,后釋放紙帶,紙帶通過后立即切斷電源D.為減小摩擦,每次測量應先將紙帶理順【解析】選C、D。電磁打點計時器應用低壓交流電源,交流電頻率為50 Hz,電火花打點計時器使用交流電壓為220 V,故A錯誤;紙帶必須穿過限位孔,并注意把紙帶壓在復寫紙的下面,故B錯誤;要先通電,后釋放紙帶,紙帶通過后立即切斷電源,故C正確;每次測量先將紙帶理順,會減小紙帶與限位孔間的摩擦,故D正確。   【加固訓練】關(guān)于打點計時器的使用,下列說法中正確的是(  )A.電磁打點計時器使用的是4~6 V的直流電源B.在測量物體速度時,先讓物體運動,后接通打點計時器的電源C.使用的電源頻率越高,打點的時間間隔就越小D.紙帶上打的點越密,說明物體運動得越快【解析】選C。電磁打點計時器使用的是4~6 V的交流電源,故A錯誤;實驗過程中應先接通電源,后釋放紙帶,否則在紙帶上留下的點很少,不利于數(shù)據(jù)的處理和減小誤差,故B錯誤;打點的時間間隔與交流電源頻率的關(guān)系為T=,因此頻率越高,打點的時間間隔就越小,故C正確;紙帶上打的點越密,說明相等的時間間隔位移越小,即物體運動得越慢,故D錯誤。2.(2021·天水高一檢測)如圖所示是電火花計時器的示意圖。(1)電火花計時器和電磁打點計時器一樣,工作時使用________(選填“交流”或“直流”)電源,當電源的頻率是50 Hz時,每________s打一次點。(2)其工作時的基本步驟如下:A.當紙帶完全通過電火花計時器后,立即關(guān)閉電源B.將電火花計時器電源插頭插入相應的電源插座C.將紙帶從墨粉紙盤下面穿過電火花計時器D.接通開關(guān),聽到放電聲,立即拖動紙帶運動上述步驟正確的順序是________(按順序填寫步驟編號)。【解析】(1)電火花計時器和電磁打點計時器一樣,工作時使用交流電源;當電源的頻率是50 Hz時,每隔0.02 s打一次點。(2)實驗步驟要遵循先安裝器材后進行實驗的原則進行,即先安裝打點計時器,再安裝紙帶,先接通開關(guān)再拖動紙帶,打完后要立即關(guān)閉電源; 故步驟為CBDA。答案:(1)交流 0.02 (2) CBDA   【加固訓練】使用電火花打點計時器分析物體運動情況的實驗中:(1)在如下基本步驟中,正確的排列順序為__________________________________________________________________。A.把電火花計時器固定在桌子上B.安放紙帶C.松開紙帶讓物體帶著紙帶運動D.接通220 V交流電源E.按下脈沖輸出開關(guān),進行打點(2)如圖為電磁打點計時器打出的一條紙帶,從紙帶上看,打點計時器出的故障可能是________。A.打點計時器接在直流電源上B.電源電壓太低C.電源頻率不穩(wěn)定D.振針壓得過緊【解析】(1)實驗時先組裝器材,順序為AB,然后進行實驗,順序為DEC。所以操作順序為ABDEC。(2)電磁打點計時器使用的是交流電源,若打點計時器接在直流電源上,打點計時器不打點,故A錯誤;點痕的輕重和電源電壓不穩(wěn)有關(guān),電源電壓不穩(wěn)不會導致短線,故B錯誤;電源頻率大小只會影響打點的時間間隔,不會影響點的形狀,不會造成短線,故C錯誤;振針壓得過緊,振針和紙帶接觸時間過長,可能造成短線,故D正確。答案:(1)ABDEC (2)D3.用氣墊導軌和數(shù)字計時器能更精確地測量物體的瞬時速度。如圖所示,滑塊在牽引力作用下先后通過兩個光電門,配套的數(shù)字毫秒計記錄了遮光條通過第一個光電門的時間為Δt1=0.29 s,通過第二個光電門的時間為Δt2=0.11 s,已知遮光條的寬度為3.0 cm,則滑塊通過第一個光電門的速度為________ m/s,通過第二個光電門的速度為________ m/s。(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)【解析】由于滑塊經(jīng)過光電門時遮光條的擋光時間較短,所以滑塊經(jīng)過光電門的速度可用遮光條擋光時間內(nèi)的平均速度表示。經(jīng)過第一個光電門的速度v1 m/s≈0.10 m/s,經(jīng)過第二個光電門的速度v2 m/s≈0.27 m/s。答案:0.10 0.274.在“研究勻變速直線運動”的實驗中:(1)電火花計時器是使用________(選填“直流”或 “交流”)電源的儀器,當電源頻率是50赫茲時每隔________秒打一次點。(2)根據(jù)打點計時器打出的紙帶,我們可以從紙帶上直接測得的物理量是________。A.時間間隔       B.位移C.瞬時速度        D.平均速度(3)接通電火花計時器電源和讓紙帶開始運動,這兩個操作之間的時間順序關(guān)系是________。A.先接通電源,后讓紙帶運動B.先讓紙帶運動,再接通電源C.讓紙帶運動的同時接通電源D.先讓紙帶運動或先接通電源都可以(4)在“研究勻變速直線運動”的實驗中,打點計時器使用的交流電源的頻率為50 Hz,記錄小車運動的紙帶如圖所示。在紙帶上依次選擇6個實驗點A、B、C、D、E、F,各相鄰兩點間的距離依次是2.0 cm、3.0 cm、4.0 cm、5.0 cm、6.0 cm根據(jù)學過的知識可以求出小車在B點的速度為vB=________m/s,CE間的平均速度為________m/s。 【解析】(1)電火花計時器使用交流電源,當電源頻率是50赫茲時每隔0.02秒打一次點。(2)根據(jù)打點計時器打出的紙帶,可以從紙帶上直接測得的物理量是時間間隔和位移,故選A、B;(3)接通電火花計時器電源和讓紙帶開始運動,這兩個操作之間的時間順序關(guān)系是先接通電源,后讓紙帶運動,故選A;(4)小車在B點的速度為vB m/s=1.25 m/s,CE間的平均速度為CE m/s=2.25 m/s。答案:(1)交流  0.02 (2)A、B (3)A(4)1.25 2.25   【加固訓練】(1)使用打點計時器測量瞬時速度時應注意________A.電火花計時器使用的電源是220 V的交流電源,電磁打點計時器使用的電源是6 V以下的直流電源B.使用打點計時器時應先接通電源,再拉動紙帶C.使用打點計時器,開始時小車應遠離打點計時器D.打點計時器只能連續(xù)工作較短時間,打點之后要立即關(guān)閉電源(2)打點計時器所用的電源是50 Hz的交流電源,所打點中相鄰點間的時間間隔為T,若紙帶上共打出N個點,這條紙帶上記錄的時間為t,則下列各式正確的是________A.T=0.1 s,t=NT       B.T=0.05 s,t=(N-1)TC.T=0.02 s,t=(N-1)T       D.T=0.02 s,t=NT(3)研究物體做勻變速直線運動的實驗得到的一條紙帶如圖所示(實驗中打點計時器所接低壓交流電源的頻率為50 Hz),從O點后開始每5個計時點取一個計數(shù)點,依照打點的先后順序依次編為0、1、2、3、4、5、6,測得x15.18 cm,x24.40 cm,x33.62 cm,x42.78 cm,x52.00 cm,x61.22 cm。打點計時器打計數(shù)點3時,物體的速度大小v3=______m/s。(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)【解析】(1)電火花計時器使用的電源是220 V的交流電源,電磁打點計時器使用的電源是6 V以下的交流電源,故A錯誤;實驗過程應先接通電源,后釋放紙帶,否則在紙帶上留下的點很少,不利于數(shù)據(jù)的處理和減小誤差,故B正確;使用打點計時器,小車應靠近打點計時器,可以在紙帶上留更多的點,有利于數(shù)據(jù)處理和減小誤差,故C錯誤;打點計時器不能長時間工作,故打點之后要立即關(guān)閉電源,故D正確。(2)打點計時器打點的時間間隔:T==0.02 s,紙帶上共打出N個點,則總的時間間隔是:(N-1)個,所以時間:t=(N-1)T。故A、B、D錯誤, C正確。(3) 根據(jù)勻變速直線運動中時間中點的速度等于該過程中的平均速度,可以求出打紙帶上3點時物體的瞬時速度大?。?/span>v3m/s=0.32 m/s。答案:(1)B、D (2)C (3)0.32

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4 實驗:用打點計時器測速度

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