1、4 实验：用打点计时器测速度实验必备自主学习一、实验目的1了解打点计时器的结构、_及使用方法。2学会用打点计时器测量物体的_。3能利用vt图象分析实验数据，描述物体的运动。二、实验器材 电磁打点计时器(或电火花计时器)、_、复写纸、导线、_、_、坐标纸。原理速度学生电源刻度尺纸带三、实验原理与设计1两种打点计时器的比较：电磁打点计时器电火花计时器结构示意图打点原理电磁作用下振针上下周期性振动打点脉冲电流经放电针、墨粉纸盘到纸盘轴放电打点工作电压6 V以下交流电源220 V交流电源电磁打点计时器电火花计时器打点周期0.02 s0.02 s阻力来源纸带与限位孔、复写纸的摩擦，纸带与振针的摩擦纸带与
2、限位孔、墨粉纸盘的摩擦，比前者小功能功能相同，都是计时仪器2.两种打点计时器的打点原理：(1)电火花计时器的工作原理：使用时，墨粉纸盘套在纸盘轴上，把纸带穿过_。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_放电，于是在运动的纸带上就打出一行点迹。(2)电磁打点计时器的工作原理：用_限定纸带，复写纸压在纸带的_(选填“上面”或“下面”)，通电，振片带动振针打点。若纸带运动，其上就会留下一行小点。限位孔电火花限位孔上面3根据纸带计算平均速度：根据 vxt 可求出任意两点间的平均速度，x 是纸带上两点间的距离，利用刻度尺测量，t 是这两点间的时间间隔。4粗略
3、计算瞬时速度：纸带上某点的瞬时速度可以粗略地由包含该点在内的相距较近的两点间的平均速度来表示。实验过程合作学习实验步骤(1)了解打点计时器的结构，然后把它固定在桌子上。(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(或把电火花计时器与 220 V 交流电源连接，把纸带穿好，压在墨粉纸盘下面)。(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)重复步骤(2)(3)，获得 35 条纸带。(5)选择一条点迹清晰便于分析的纸带，往后数 n 个点，n 个点之间的间隔数为(n1)，纸带从打第 1 个点
4、到打第 n 个点的运动时间 t0.02(n1)s。(6)用刻度尺测量出第 1 个点到第 n 个点间的距离 x。(1)电磁打点计时器用干电池或者蓄电池供电行不行？提示：不行，打点计时器的工作电压为交流电，干电池、蓄电池输出的都是直流电。(2)如何确定打点计时器的时间间隔？提示：如果频率是 50 Hz，打点周期 T 为 0.02 s，即 T1f。数据收集与分析1计算纸带的平均速度：从打第 1 个点到打第 n 个点，纸带的运动时间为 t0.02(n1)s，纸带的位移为 x，纸带的平均速度 vxt。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n1运动时间t/s位移x/m平均速度v/(ms
5、1)122.用打点计时器测量瞬时速度：(1)选取一条点迹清晰便于分析的纸带。(2)从能够看清的某个点开始，每隔四个点取一个计数点，每两个计数点间的时间间隔 T50.02 s0.1 s。在纸带上用 O、A、B、C、D标出这些“计数点”，如图所示。用刻度尺依次测出 OA、OB、OC、OD的距离是 s1、s2、s3、s4，再利用 x1s1、x2s2s1、x3s3s2、x4s4s3确定出 OA、AB、BC、CD之间的距离 x1、x2、x3、x4(3)A、B、C、D各点的瞬时速度分别为vAx1x22T、vBx2x32T、vCx3x42T、vDx4x52T3用 v-t 图象描述物体的速度：(1)以速度 v
6、 为纵轴，时间 t 为横轴建立直角坐标系。(2)根据不同时刻的瞬时速度值，在坐标系中描点。(3)用平滑曲线把这些点连接起来，即得到 v-t 图象。怎样根据纸带上的点迹判断物体运动的快慢？提示：在时间间隔相同时，两点之间距离越远，表示速度越大；如果在同一条纸带上，点越来越密，说明速度越来越小；如果点越来越疏，说明速度越来越大。误差分析(1)位移 x 的选取：利用平均速度来代替计数点的瞬时速度会带来系统误差。为减小误差，应取以计数点为中心的较小位移 x 来求平均速度。(2)距离的测量：分段测量计数点间的位移 x 会带来误差。减小此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
7、，再分别计算出各计数点间的距离。(3)选取合适的坐标单位：作图时，描点、连线存在偶然误差。为减小误差，应选取合适的坐标单位，利用坐标纸作图。注意事项(1)如果在纸带上数出了 n 个点，那么，它们的间隔数是(n1)个，它们的时间间隔为(n1)0.02 s。(2)使用打点计时器打点时，应先接通电源，待打点计时器打点稳定后，再拉动纸带。(3)手拉动纸带时速度应快一些，以防点迹太密集。(4)使用电火花计时器时，应注意把纸带正确穿好，墨粉纸盘位于纸带上方，使用电磁打点计时器时，应让纸带穿过限位孔，压在复写纸下面。(5)为了减小实验误差，计数点要每隔 T0.1 s 选一个，即每隔四个点取一个计数点，而计算
8、计数点的瞬时速度时，x、t 应取此计数点前、后两个点之间的位移和时间，即 vnxnxn12T。(6)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。(7)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点 O 之间的距离)。读数时应估读到毫米的下一位。(8)实验前要检查打点的稳定性和清晰程度，必要时要进行调节或更换器材。实验研析创新应用类型一 教材原型实验角度 1 实验原理和实验操作【典例 1】研究“用打点计时器测速度”的实验：(1)(多选)实验中，除电磁打点计时器(含纸带、复写纸)、小车、一端带定滑轮的长木板、导线及开关外，在下面的仪
9、器和器材中，必须使用的有_。(填选项代号)A电压合适的 50 Hz 低压交流电源B电压可调的直流电源C刻度尺D秒表E天平(2)(多选)对于减小实验误差来说，下列采取的方法中正确的有_。A选取合适的 n 个点为计数点B使小车运动得尽量慢些C舍去纸带上密集的点，只利用点迹清晰、点间间隔适当的那一部分进行测量、计算D选用各处平整程度、光滑程度相同的长木板做实验E实验时尽量让小车远离打点计时器，释放小车后再接通电源【解析】(1)实验中必须使用的有电压合适的 50 Hz 低压交流电源，计算速度时需要测量各点间的距离，因此还必须使用刻度尺，故 A、C 正确。(2)选取合适的 n 个点为计数点，有利于测量长
10、度，能使平均速度与瞬时速度更接近，以减小实验误差，选项 A 正确；使小车运动得尽量慢些，打出的点较密，取点会较多，会使实验误差较大，选项 B 错误；舍去纸带上密集的点，只利用点迹清晰、点间间隔适当的那一部分进行测量、计算，这样可减小实验误差，选项 C 正确；选用各处平整程度、光滑程度相同的长木板做实验，可使小车运动比较平稳，各点的瞬时速度与实际更接近，可减小实验误差，选项 D 正确；若小车远离打点计时器，且先释放小车后接通电源，会造成点密而少，给测量、计算结果造成较大误差，选项 E 错误。答案：(1)A、C(2)A、C、D角度 2 实验数据处理【典例 2】某次用打点计时器测速度的实验中得到一条
11、纸带，用毫米刻度尺测量这条纸带的情况如图所示，纸带上计时起点 O 点与刻度尺的 0 刻度线对齐，点 A、B、C、D、E、F、G、H 依次表示点 O 以后连续的各点。计时点ABCDEFGH时刻/s0.020.040.060.080.100.120.140.16位置/mm瞬时速度(101ms1)(1)由刻度尺读出 A、B、C、D、E、F、G、H 各点到点 O 的距离，并填入表格中。(2)计算 A、B、C、D、E、F、G 各点的瞬时速度，并填入表格中。(3)由表格中的数据在如图所示坐标系中作出 v-t 图象，并说明物体的速度随时间是如何变化的。【解析】(1)毫米刻度尺最小刻度为 1 mm，估读到 0
12、.1 mm，各个位置读数如表：计时点ABCDEFGH时刻/s0.020.040.060.080.100.120.140.16位置/mm1.56.013.026.543.063.087.5115.0(2)某点的瞬时速度可用含有该点的一段位移内的平均速度代替，计算时所取位移的两端点离该点越近，平均速度越接近该点的瞬时速度，故 vA vOBxB2T 6.020.02103 m/s1.5101 m/svB vACxCxA2T13.01.520.02103 m/s2.9101 m/s用相同的方法可求出其他点的瞬时速度：计时点ABCDEFGH时刻/s0.020.040.060.080.100.120.14
13、0.16位置/mm1.56.013.026.543.063.087.5115.0瞬时速度(101ms1)1.52.95.17.59.111.113.0(3)由表格中速度及对应的时刻在坐标系中描点，使尽量多的点分布在所作直线上，便可得到物体的 v-t 图象，如图所示。由 v-t 图象可知，物体的速度随时间逐渐增大，v 与 t 之间基本上是线性关系。答案：见解析类型二 创新型实验【典例 3】某同学想研究一遥控电动车的运动情况，他找来一个塑料瓶，设计了一个如图甲所示的装置，瓶内装上墨水，通过调节开关使墨水缓慢滴下，然后将这个装置固定在车的尾部，如图乙所示。使车从静止开始在足够大的水平地面上沿直线前进
14、，然后他在离出发点不远处，选择墨水滴间距离较大处的一个点为起点，用卷尺依次测量这个点后面的 10 个点到这个点的距离，并记录在表格中。(1)该同学制作的装置相当于物理实验室中的_(填仪器名称)。(2)通过表中数据，你认为小车在所记录的这段时间内的运动情况是_。(请描述出速度的变化情况)(3)要测量小车做匀速运动时的速度，该同学还需要知道的物理量是_，他还需要的测量工具是_。12345678910距离(m)0.422 1.546 3.076 4.890 6.813 8.713 10.645 12.571 14.483 16.429【解析】(1)该同学制作的装置相当于物理实验室中的打点计时器。(2
15、)依据表格中数据看出，在开始阶段小车在相邻相等时间内的位移逐渐增大，即小车先做加速运动；后阶段在相等时间内，位移相等，即小车做匀速运动。(3)要测量小车做匀速运动时的速度，该同学还需要知道的物理量是相邻两墨水滴下的时间间隔 T 或匀速运动的时间 t，他还需要的测量工具是秒表。答案：(1)打点计时器(2)先做加速运动，后做匀速运动(3)相邻两墨水滴下的时间间隔 T 或匀速运动的时间 t 秒表【创新评价】创新角度创新措施实验器材的创新在瓶内装上墨水，通过调节开关使墨水缓慢滴下，来代替打点计时器打点计时【创新探究】(1)使用在瓶内装墨水，通过调节开关使墨水缓慢滴下这种装置能否准确地测量时间间隔？提示
16、：不能，只能判断小车速度的变化。(2)使用这种装置对插入瓶中的两个管有什么要求？提示：让竖直管的上管口一直在带开关的上管口之上。学情诊断课堂测评1(多选)关于打点计时器的使用，下列说法中正确的是()A打点计时器应用低压交流电源，交流电频率为 50 HzB纸带必须穿过限位孔，并注意把纸带压在复写纸的上面C要先通电，后释放纸带，纸带通过后立即切断电源D为减小摩擦，每次测量应先将纸带理顺【解析】选 C、D。电磁打点计时器应用低压交流电源，交流电频率为 50 Hz，电火花打点计时器使用交流电压为 220 V，故 A 错误；纸带必须穿过限位孔，并注意把纸带压在复写纸的下面，故 B 错误；要先通电，后释放
17、纸带，纸带通过后立即切断电源，故 C 正确；每次测量先将纸带理顺，会减小纸带与限位孔间的摩擦，故 D 正确。【加固训练】关于打点计时器的使用，下列说法中正确的是()A电磁打点计时器使用的是 46 V 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纸带上打的点越密，说明物体运动得越快【解析】选 C。电磁打点计时器使用的是 46 V 的交流电源，故 A 错误；实验过程中应先接通电源，后释放纸带，否则在纸带上留下的点很少，不利于数据的处理和减小误差，故 B 错误；打点的时间间隔与交流电源频率的关系为 T1f，因此频率越高，打点的时间间隔
18、就越小，故 C 正确；纸带上打的点越密，说明相等的时间间隔位移越小，即物体运动得越慢，故 D 错误。2(2021天水高一检测)如图所示是电火花计时器的示意图。(1)电火花计时器和电磁打点计时器一样，工作时使用_(选填“交流”或“直流”)电源，当电源的频率是 50 Hz 时，每_s 打一次点。(2)其工作时的基本步骤如下：A当纸带完全通过电火花计时器后，立即关闭电源B将电火花计时器电源插头插入相应的电源插座C将纸带从墨粉纸盘下面穿过电火花计时器D接通开关，听到放电声，立即拖动纸带运动上述步骤正确的顺序是_(按顺序填写步骤编号)。【解析】(1)电火花计时器和电磁打点计时器一样，工作时使用交流电源；
19、当电源的频率是 50 Hz 时，每隔 0.02 s 打一次点。(2)实验步骤要遵循先安装器材后进行实验的原则进行，即先安装打点计时器，再安装纸带，先接通开关再拖动纸带，打完后要立即关闭电源；故步骤为 CBDA。答案：(1)交流 0.02(2)CBDA 【加固训练】使用电火花打点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安放纸带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)如图为电磁打点计时器打出的一条纸带，从纸带上看，打点计时器出的故障可能是_。A.打点计时器接在直流电源上B电源电压太低
20、C电源频率不稳定D振针压得过紧【解析】(1)实验时先组装器材，顺序为 AB，然后进行实验，顺序为 DEC。所以操作顺序为 ABDEC。(2)电磁打点计时器使用的是交流电源，若打点计时器接在直流电源上，打点计时器不打点，故 A 错误；点痕的轻重和电源电压不稳有关，电源电压不稳不会导致短线，故 B 错误；电源频率大小只会影响打点的时间间隔，不会影响点的形状，不会造成短线，故 C 错误；振针压得过紧，振针和纸带接触时间过长，可能造成短线，故 D正确。答案：(1)ABDEC(2)D3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
21、了遮光条通过第一个光电门的时间为 t10.29 s，通过第二个光电门的时间为 t20.11 s，已知遮光条的宽度为3.0 cm，则滑块通过第一个光电门的速度为_ m/s，通过第二个光电门的速度为_ m/s。(结果均保留两位有效数字)【解析】由于滑块经过光电门时遮光条的挡光时间较短，所以滑块经过光电门的速度可用遮光条挡光时间内的平均速度表示。经过第一个光电门的速度 v1 dt1 3.01020.29 m/s0.10 m/s，经过第二个光电门的速度 v2 dt2 3.01020.11 m/s0.27 m/s。答案：0.10 0.274在“研究匀变速直线运动”的实验中：(1)电火花计时器是使用_(选
22、填“直流”或“交流”)电源的仪器，当电源频率是50 赫兹时每隔_秒打一次点。(2)根据打点计时器打出的纸带，我们可以从纸带上直接测得的物理量是_。A时间间隔 B位移C瞬时速度D平均速度(3)接通电火花计时器电源和让纸带开始运动，这两个操作之间的时间顺序关系是_。A先接通电源，后让纸带运动B先让纸带运动，再接通电源C让纸带运动的同时接通电源D先让纸带运动或先接通电源都可以(4)在“研究匀变速直线运动”的实验中，打点计时器使用的交流电源的频率为 50 Hz，记录小车运动的纸带如图所示。在纸带上依次选择 6 个实验点 A、B、C、D、E、F，各相邻两点间的距离依次是 2.0 cm、3.0 cm、4.
23、0 cm、5.0 cm、6.0 cm。根据学过的知识可以求出小车在 B 点的速度为 vB_m/s，CE 间的平均速度为_m/s。【解析】(1)电火花计时器使用交流电源，当电源频率是 50 赫兹时每隔 0.02 秒打一次点。(2)根据打点计时器打出的纸带，可以从纸带上直接测得的物理量是时间间隔和位移，故选 A、B；(3)接通电火花计时器电源和让纸带开始运动，这两个操作之间的时间顺序关系是先接通电源，后让纸带运动，故选 A；(4)小车在 B 点的速度为 vBxAC2T（2.03.0）1020.04 m/s1.25 m/s，CE 间的平均速度为 vCExCE2T（4.05.0）1020.04 m/s
24、2.25 m/s。答案：(1)交流 0.02(2)A、B(3)A(4)1.25 2.25 【加固训练】(1)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 220 V 的交流电源，电磁打点计时器使用的电源是 6 V以下的直流电源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，开始时小车应远离打点计时器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(2)打点计时器所用的电源是 50 Hz 的交流电源，所打点中相邻点间的时间间隔为 T，若纸带上共打出 N 个点，这条纸带上记录的时间为 t，则下列各式正确的是_AT0.1 s，tNT BT0.05 s，t(N1)
25、TCT0.02 s，t(N1)T DT0.02 s，tNT(3)研究物体做匀变速直线运动的实验得到的一条纸带如图所示(实验中打点计时器所接低压交流电源的频率为 50 Hz)，从 O 点后开始每 5 个计时点取一个计数点，依照打点的先后顺序依次编为 0、1、2、3、4、5、6，测得 x15.18 cm，x24.40 cm，x33.62 cm，x42.78 cm，x52.00 cm，x61.22 cm。打点计时器打计数点 3 时，物体的速度大小 v3_m/s。(结果保留两位有效数字)【解析】(1)电火花计时器使用的电源是 220 V 的交流电源，电磁打点计时器使用的电源是 6 V 以下的交流电源，
26、故 A 错误；实验过程应先接通电源，后释放纸带，否则在纸带上留下的点很少，不利于数据的处理和减小误差，故 B 正确；使用打点计时器，小车应靠近打点计时器，可以在纸带上留更多的点，有利于数据处理和减小误差，故 C 错误；打点计时器不能长时间工作，故打点之后要立即关闭电源，故 D 正确。(2)打点计时器打点的时间间隔：T1f 0.02 s，纸带上共打出 N 个点，则总的时间间隔是：(N1)个，所以时间：t(N1)T。故 A、B、D 错误，C 正确。(3)根据匀变速直线运动中时间中点的速度等于该过程中的平均速度，可以求出打纸带上 3 点时物体的瞬时速度大小：v3x3x42T3.622.78 10220.1m/s0.32 m/s。答案：(1)B、D(2)C(3)0.32