高一物理上册必修1《用打点计时器测速度》教案
高一物理上册必修1《用打点计时器测速度》教案【一】
教学准备
教学目标
1.了解电磁打点计时器、电火花计时器的构造及工作原理，学会使用打点计时器.
2.掌握测瞬时速度的方法，会用打出的纸带求瞬时速度.
3.理解速度随时间的变化图象，并能根据图象分析物体的运动.
教学重难点
1.使用打点计时器.
2.测瞬时速度的方法，用打出的纸带求瞬时速度.
3.速度随时间的变化图象，根据图象分析物体的运动.
教学过程
[知识探究]
一、了解打点计时器
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0.02s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打点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：6V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：220V交流(填“交流”或“直流”)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就打出一 行点迹.
4.两种打点计时器误差比较
电火花计时器使用中对纸带运动阻力极小，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Δt=(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Δx.
(6)利用公式v=Δx/Δt计算 出纸带在这段时间内的平均速度.
2.注意事项
(1)打点前应把手停在靠近打点计时器的位置.
(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测量点到起始测量点O之间的距离).读数时应估读到毫米的下一位.
三、用打点计时器测量平均速度和瞬时速度
1.根据纸带计算平均速度
用刻度尺测出n个点之间的间距Δx，n个点之间的时间Δt=(n-1)×0.02s.则平均速度v=Δx/Δt.
2.根据打点计时器计算瞬时速度
(1)原理：取包含某一位置在内的一小段位移Δx，根据v=Δx/Δt测出这一段位移内的平均速度，用这个平均速度代表纸带经过该位置的瞬时速度.一般地，取以这个点为中间时刻的一段位移来计算.
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=Δx/Δt.
图1
(2)数据处理：把纸带上能看得清的某个点作为起始点O，以后的点分别标上A、B、C、D、……，如图2所示，依次测出各点到O点的距离，再算出OA、AB、BC、……的距离x 1、x2、x3、…….
图2
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)/2T、vC=(x3+x4)/2T、vD=(x4+x5)/2T、…….
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 A B C D E F G
v/(mos-1)
3.注意
为了减小实验误差，A、B、C、D……不一定是连续计时点，比如可以间隔T=0.1s(即每隔四个点)取一个计数点，而计算计数点的瞬时速度时，Δx、Δt应取此计数点前、后两个点之间的位移和时间，即v=(xn+xn+1)/2T.
四、用图象表示速度
[问题设计]
某同学根据打出的纸带，算出的各计数点的速度见下表.
t/s 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
v/(mos-1) 0.70 0.90 1.10 1.15 1.20 1.23 1.40 1.30
(1)用横轴表示时间t，纵轴表示速度v，建立平面直角坐标系，在图3中作出物体的v-t图象.
图3
(2)v-t图象是不是质点运动的轨迹?从v-t图象中可以知道哪些信息?
(3)若质点做匀速直线运动，其v-t图象有什么特点?
答案 (1)
(2)v-t图象不是质点运动的轨迹.从v-t图象中可知任意时刻速度的大小和方向.
(3)匀速直线运动的v-t图象是与时间轴平行的直线.
[典例精析]
例1 使用打点计时器时应注意( )
A.无论使用电磁打点计时器还是电火花计时器，都应该把纸带穿过限位孔，再把套在轴上的复写纸压在纸带的上面
B.使用打点计时器时应先接通电源，再拉动纸带
C.使用打点计时器时，拉动纸带的方向应与限位孔平行
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
解析 电磁打点计时器使用复写纸，电火花计时器不用复写纸，故A错;实验时应当先接通电源，再拉动纸带，故B正确;为减小摩擦，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.
答案 BCD
例2 当纸带与运动物体连接时，打点计时器在纸带上打出点迹，下列关于纸带上点迹的说法中正确的是( )
A.点迹记录了物体运动的时间
B.点迹记录了物体在不同时刻的位置和某段时间内的位移
C.纸带上点迹的分布情况反映了物体的运动情况
D.纸带上的点越密，说明物体运动得越快
解析 从打点计时器的用途出发对选项进行筛选.打点计时器每隔一定的时间打下一个点，因而点迹记录了物体运动的时间，也记录了物体在不同时刻的位置和某段时间内的位移;纸带上点迹的分布情况反映了物体的运动情况，点迹越密物体运动越慢.
答案 ABC
例3 如图4所示是做“用打点计时器测速度”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每两个点取一个计数点依次标为0、1、2、3、4、5、6……，现测得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(每0.02s打一次点).
图4
(1)根据测量数据，计算打点计时器在打1、 2、3、4、5点时的速度并填在下表中.
位置 1 2 3 4 5
v/(mos-1)
(2)根据(1)中表格，在图5中画出小车的速度—时间图象，并说明小车速度变化的特点.
图5
解析 (1)某点的瞬时速度可用包含该点的一段位移内的平均速度表示
打1点时：v1=(x1+x2)/4T≈1.20m/s，
打2点时：v2=(x2+x3)/4T≈1.00m/s，
打3点时：v3=(x3+x4)/4T=0.80m/s，
打4点时：v4=(x4+x5)/4T≈0.60m/s，
打5点时：v5=(x5+x6)/4T≈0.40m/s.
将数值填入表格中.
位置 1 2 3 4 5
v/(mos-1) 1.20 1.00 0.80 0.60 0.40
(2)描点并连线得小车的速度—时间图象.
由图象可知，小车速度均匀减小.
答案 见解析
[自我检测]
1.用打点计时器可测纸带运动的时间和位移.下面是没 有按操作顺序写的不完整的实验步骤，按照你对实验的理解，在各步骤空白处填上适当的内容，然后按实际操作的合理顺序，将各步骤的字母代号按顺序写在空白处.
A.在电磁打点计时器的两接线柱上分别接上导线，导线的另一端分别接在低压(选填“交流”或“直流”)电源的两个接线柱上.
B.把电磁打点计时器固定在桌子上，让纸带穿过，并压在下面.
C.用刻度尺测量从计时开始点到最后一个点间的距离Δx.
D.切断电源，取下纸带，如果共有n个清晰的点 ，则这段纸带记录的时间Δt=.
E.打开电源开关，再用手水平地拉动纸带，纸带上打下一系列小点.
F.利用公式v=Δx/Δt计算纸带运动的平均速度.
实验步骤的合理顺序是.
答 案 交流 限位孔 复写纸 (n-1)×0.02s BAEDCF
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，用毫米刻度尺测出各点间的距离如图6所示，则：AC=mm，AD=mm.那么由此可以算出纸带在AC间的平均速度为m/s，纸带在AD间的平均速度为 m/s;B点的瞬时速度更接近于m/s.
图6
答案 14.0 25.0 0.35 0.42 0.35
解析 AC=14.0mm，AC间的平均速度为xAC/2T=14.0×10-32×0.02m/s=0.35 m/s;AD=25.0mm，AD间的平均速度为xAD/3T= 25.0×10-33×0.02m/s≈0.42 m/s.对描述B点的瞬时速度来说，AC段所取的位移间隔更小，更接近B点的真实速度，即B点的瞬时速度更接近于0.35m/s.
高一物理上册必修1《用打点计时器测速度》教案【二】
教学准备
教学目标
1、知道打点计时器的构造和原理，学会使用打点计时器，能根据打出的纸带计算打几个点所用的时间，会计算纸带的平均速度，能根据纸带粗略测量纸带的瞬时速度，认识v-t图象，并能根据v-t图象判断物体的运动情况。
2、通过速度测量过程的体验，领悟两个方法：一是用图象处理物理数据的方法;二是极限法或说无限趋近法，加强一个认识，实验是检验理论的标准。
教学重难点
知道打点计时器的构造和原理，学会使用打点计时器，能根据打出的纸带计算打几个点所用的时间，会计算纸带的平均速度，能根据纸带粗略测量纸带的瞬时速度，认识v-t图象，并能根据v-t图象判断物体的运动情况。
教学工具
教学课件
教学过程
实验准备：
1、仔细观察电磁打点计时器和电火花计时器，对照课本，比较它们的异同。
2、两类打点计时器的打点时间间隔是多少?
3、分析纸带时，如何计算纸带的平均速度。
4、严格地说，瞬时速度我们引进测量出来的，你知道用什么方法求出的速度可以代替某点的瞬时速度吗?
5、从器材上读取的数据是原始数据，原始数据是宝贵的实验资料，要严肃对待，要整齐的记录，妥善保存。
实验原理：
1、电磁打点计时器。电磁打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器，工作电压为4~6V。当电源的频率是50Hz时，它每隔0.02s打一个点。电磁打点计时器是应用电磁原理制成的，图1是它的工作原理图。通电前，先在打点计时器上装上纸带，并把复写纸片压在纸带上。然后把线圈与50Hz、4~6V的交流电源接通。这时，振片被磁化，在磁力作用下振动起来。每0.02s振针压打复写纸一次，被运动物体拖着的纸带上便记录下一系列的点子，这些点相应地表示运动物体在不同时刻的位置，相邻两点间的时间间隔是0计时器 0.
02s。我们对纸带上这些点之间的距离进行测量，就可以定量地研究物体的运动规律。
2、电火花计时器。电火花计时器是利用火花放电在纸带上打出小孔而显示出点迹的计时器，它的构造如图2所示。使用时，墨粉纸盘套在纸盘轴上，并夹在两条白纸之间。当接通用220V交流电源，按下脉冲输出开头时，计时器发出的脉冲电流经接正极的放电针、墨粉纸盘到接到负极的纸盘火花放电，于是在运动的纸带1上打出一列点迹。当电源频率是50Hz时，它也是每隔0.02 s打一次点。
这种计时器工作时，纸带运动时受到的阻力小，实验误差小。
上面介绍的两种计时器打点的时间间隔都是T=0.02s，因此，打在纸带上的点，记录了纸带运动的时间。如果把纸带跟运动物体连接在一起，纸带上的点子就相应地表示出运动物体在不同时刻的位置。研究纸带上的点子之间的间隔，就可以了解运动物体在不同时间里民生的位移，从而了解物体运动的情况。
实验步骤：
1.把电火花计时器固定在桌子上，检查墨粉纸盘是否已经正确地套在纸盘轴上，检查两条白纸带是否已经正确地穿好，墨粉纸盘是否在两条纸带之间。
2.把计时器上的电源插头在220V交流电源插座上。
3.按下脉冲输出开头，用手水平地拉动两条纸带，纸带动上就打上一列车员小点。
4.取下纸带，从能看得清规戒律的某个点数起，数一数纸带上共有多少个点。如果共有n个点，点子的间隔数则为(n-1)个，用t=0.02(n-1)计算出纸带的运动时间t。
5.用刻度尺测量一下，打下这些点，纸带通过的距离s 有多长
6.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一中。
7.选取一条点迹清晰便于分析的纸带进行数据分析。
8.从能够看清的某个点开始，每隔0.1s取一个点，在纸带上用数字0，1，2 ….5标出这些“测量点”，测量包括每个点的一段位移△x,记录在表二中，同时记录相对应的时间，以测量该点的瞬时速度。
9.计算出各点附近的平均速度，把它当作计时器打下这些点时的瞬时速度，填入表三中，点0作为计时的开始，即t=0。
10.以速度v为纵轴，以时间t为横轴在坐标纸上建立直角坐标系，根据表二的数据在坐标轴上描点，将这些点用平滑的曲线连接起来。
11.通过曲线的走向大致看出手的速度变化规律，将你的实验结果与其他同学交流一下，说出你的体会。
12.重复以上步骤再做一次。
如果用电磁打点计时器，则实验步骤的前3步相应地应当是：
1.把打点计时器固定在桌子上，让纸带穿过两个限位孔，压在复写纸的下面。
2.把电磁打点计时器的两个接线柱用导线分别与6V的低压交流电源的接线柱相连接。
打开电源开关，用手水平地拉动纸带，纸带上就打出一列小点。
注意事项：
1.要认清楚你使用了哪种类型的打点计时器，电磁打点计时器要使用10V以下的交流学生电源;而电火花计时器则直接使用220V的交变电流。
2.开头的点迹很密集，这是由于先接通电源后拉动纸带和开始时的速度比较慢而造成的，数点时不能从开始处数，而要向后看，从能够看清的某个点开始。
3.如果数出了n个点，那么，他们的间隔数是(n-1)个。他们所用的运动时间为(n-1)0.02s.
4.打点计时器要固定好，在使用时打点计时器不允许松动。
5.打点计时器打点结束时要立刻切断电源。
6.要保证手每一次“水平地拉动纸带”。
7.可以大致表示某包含点的瞬时速度，两边点离得越近算出的平均速度接近B点的瞬时速度，但过小的间距也会增大测量的误差，应根据课本中的例子仔细选取。
8.测量点要每隔0.1s选一个，即每隔六个点取一个点，而测量点的、的选取上应取前一个点，后两个点之间。即：v==。
9.建立坐标系要根据实际情况取合适的单位，以便曲线能分布于大部分的坐标系中。
怎样描绘实验图线
处理实验数据的常用方法之一是图象法。运用图象法处理数据有许多优点，例如，能比较直观地表达物理规律，能够减小偶然误差对结果的影响，能够较方便地获得某些未经测量或无法直接测量的物理量数值。这里我们着重介绍一下怎样描绘实验图线。
1.描绘图线时，一般以横坐标代表自变量，以纵坐标代表因变量，在轴的末端箭头旁边注明代表的物理量及其单位。例如，要描绘做匀速直线运动物体珠速度图象，即以时间为横坐标，以瞬时速度为纵坐标，在纵轴和横轴末端箭头旁分别标注。
1.根据测量的数据，选取适当的坐标轴的标度(即每格所代表的量值)，使横轴与纵轴的全长(表示数据的最大值的长度)接近相等，图线大约分布在以坐标原点为顶点，以横坐标为一条边角之间，并尽可能使最小分度与测量的准确程度相一致。例如，在绘制速度图象的实验数据中(见上表)，最大数值为时刻，速度，我们在横轴上取1格表示1s,在纵横轴上取1格表示0.10m/s, 横轴和纵轴的全长都占5格，且测量的准确值在图上也能确切标出。当图线不通过坐标原点时，坐标的原点可以不从零开始，这样可以使图线分布匀称。例如，上述速度图象中，如果t=0,v0=0.20m/s,则v轴的原点可以从0.20开始。
课后习题
把这次实验的心得体会(成败得失)写在作业本上。
