人教版高中物理必修一教学学案设计：1.4实验：用打点计时器测速度
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1.4实验：用打点计时器测速度新课标要求:1、知道电磁打点计时器和电火花打点计时器的构造、工作原理，并会熟练使用。
2、会根据纸带上的点迹计算物体的平均速度和瞬时速度。
（重、难点）3、能运用实验数据描绘v—t图像，并能根据图像描绘物体的运动。
（重点）4、掌握其他测速方法学点详列一、【实验目的】1.了解计时器的结构原理及使用方法2.学会用打点计时器测量物体的速度3.利用v—t图像分析和处理实验数据二、【实验原理】1.打点计时器的原理：打点计时器是一种能够按照相同的时间间隔，在纸带上连续打点的仪器，它使用的是交流电源，当电源频率为50Hz时，它每隔0.02s打一个点。
2.两种打点计时器的比较：电火花打点计时器电磁打点计时器结构图示工作电压工作原理打点方式打点周期记录信息220V交流电接通220V交流电源时，按下脉冲输出开关时，计时器发出的脉冲电流经接正极的放电针、墨粉纸盘到接负极的纸盘轴产生火花放电，利用火花放电在纸带上打出点迹周期性产生电火花0.02s位移、时间4~6交流电接通交流电源后，线圈中产生周期性变化的磁场，振片被周期性的磁化，其极性随线圈中磁场的变化而变化，于是振片和永久磁铁之间就产生周期性的引力和斥力，振片就上下振动，带动振针上下振动。
这时如果纸带运动，振针就通过复写纸在纸带上打下一系列的点。
指针周期性上下振动0.02s3.与运动物体连在一起的纸带上打出的点记录了物体在不同时刻的位置，用刻度尺测出两个计数点之间的位移∆x，这两点间的时间间隔可由∆t=(n-1)⨯0.02s求得，则平均速度v=∆x，当∆t很短时，可以认为等于∆t时刻的瞬∆t时速度。
三、【实验器材】1、电磁打点计时器、学生电源、刻度尺、纸带、复写纸、导线、坐标纸。
四、【实验步骤】以电磁打点计时器为例：1.了解打点计时器的机构，然后把它固定在桌子2.把电磁打点计时器的两个接线柱接用导线与4~6V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（3）A 、B 、C 、D …个点的瞬时速度分别为 v = x + x , B v =2 3 , v = 3 4 , v = 4 … 2T 2T 2T 2T 复写纸的下面。
3.接通电源，用手水平地拉动两条纸带，纸带上就会打下一行小点，随后关闭电源。
4.取下纸带，选取点迹清晰的一段纸带，从某个点数起，数一数纸带上共有多少个点，如果共有 n 个点，则用公式∆t = 0.02 ⨯ (n - 1)s 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的距离 ∆x ，利用公式 v =结果填入表中。
∆x ∆t计算出纸带在这段时间内的平均速度，把测量和计算点数 n点划分出的间隔数 n-1运动时间 ∆t s 位移 ∆x m 平均速度 v (m ⋅ s -1 )12五、【数据处理】 1.瞬时速度的计算（1）选取一条点迹清晰的便于分析的纸带（2）对于点迹比较密集的纸带，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T = 5 ⨯ 0.02s = 0.1s 。
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 …的距离时 s 1, s 2, s 3, s 4 ⋅ ⋅ ⋅ ，再利用 x 1 = s 1, x 2 = s 2 - s 1, x 3 = s 3 - s 2 ⋅ ⋅ ⋅ 确定出 OA 、AB 、 BC 、CD ⋅ ⋅ ⋅ 之间的距离 x 1, x 2, x 3, x 4 ⋅ ⋅ ⋅x + x x + x x + x 1 2 5A C D2、速度与速度-时间（ v - t ）图像（1） v - t 图像：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的描点，然后 用平滑的曲线把这些点连接起来，即得到了如图所示的v - t 图像（2） v - t 图像的意义： v - t 图像直观反映了速度随时间变化的情况，但它并是物体的运动轨迹。
（3）图像法的优点：图像法是处理实验数据的常用方法之一，运用图像 法处理数据有许多优点，如可以使物理规律直观易懂，可以减小偶然误差， 可以方便地获得某些未经测量或无法直接测量的物理数据等。
六、【注意事项】1.如果在纸带上数出了 n 个点，那么他们的间隔数是（n-1）个，他们的 时间间隔为（n-1)×0.02s ，而非 ∆t = n ⨯ 0.02s2.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.手拉动纸带时速度适当快一些，以防点迹太密集4.使用电火花打点计时器时，应注意把纸带正确穿好，通常使用两条纸带将墨粉纸盘夹在中间（运动过程中纸带带动墨粉纸盘转动，可均匀使用墨粉纸盘），若使用一条纸带置于墨粉纸盘 下方；使用电磁打点计时器时，应让纸带穿过限位空，压在复写纸下面。
5.为了减小实验误差，计数点要每隔T = 0.1s 选一个，即每隔四个点取一个计数点，而计算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v = x n + x n + 12T6.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，不要分别测量各段的位移，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七、【误差分析】1、利用平均速度来代替计数点的瞬时速度时自身带来的系统误差，为了减小误差，应取以计数点为中心的较小位移∆x来求平均速度2、对纸带进行测量时带来误差：（1）读数时会有偶然误差（2）分段测量计数点间的位移x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，再分别计算出各计数点间的距离。
（3）作v-t图像坐标单位选定的不合理，不按要求作图，致使作图粗糙带来误差。
【题型拓展】题型1：实验操作与器材电磁打点计时器和电火花打点计时器的结构不同，电火花打点计时器靠产生电火花放电蒸发墨粉打点，比电磁打点计时器计时更准确，电火花计时器对纸带的阻力要更小，而且两种打点计时器的工作电压也不相同，在使用过程中要尽量减小纸带和计时器上限位孔之间的摩擦【例1】（多选）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，再把套在定位轴上的复写纸压在纸带上面B.使用打点计时器时应先接通电源，再拉动纸带C.是用打点计时器在拉动纸带时，拉动的方向应与限位孔平行D.电磁打点计时器和电火花打点计时器都要使用4~6V的直流电源【例2】（多选）以下时练习使用电磁打点计时器的部分实验步骤，请将错误的操作选择出来（）A.把电磁打点计时器固定在桌子上，纸带穿过限位孔，把复写纸片套在定位轴上，并放在纸带下面B.把电磁打点计时器的两个接线柱接分别接上导线，与4~6V低压交流电源相连C.用手水平牵动纸带，然后打开电源开关D.取下纸带，对纸带进行测量，测量时先统一测量出各个测量点到起始点O之间的距离，然后再计算出相邻计数点之间的距离题型2：实验原理与实验数据处理1、用刻度尺测出两个计数点间的位移∆x，并求得两点间的时间间隔∆t，则平均速度v=∆x∆t2、计算计数点的瞬时速度时，可用v=x+xn n+12T求解，∆x，∆t应取此计数点前后连个点之间的位移和时间。
【例3】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所示，在纸带上选择0，1，2，3，4，5共六个计数点，相邻两个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毫米的刻度尺，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距离测量值cmx1x2x3计算小车通过计数点“2”的瞬时速度v2=m s【例4】如图所示时某同学用打点计时器研究物体运动规律时得到的一段纸带，A为第一个点，根据图中的数据，试通过计算判断物体的运动性质题型3：v-t图像与运动规律分析图像法是一种有效较小误差的的处理数据的重要方法。
做物理图像时，要选定合理的坐标单位，坐标轴的长度设定适当，使测量点分布在坐标区域的大部分范围；描点时个别误差较大的点要舍去；根据所描点的分布趋势规律要画出拟合线，对于直线的图像计算斜率时要在直线上选取两个较远的点进行计算，v-t图像特征主要包括：图像的变化趋势、与坐标轴交点坐标的含义、图像斜率的物理意义等。
【例5】某同学在做“用打点计时器测速度”的实验时，得到一条点迹清晰的纸带如图所示，在纸带上依次选出7个计数点，分别标以O、A、B、C、D、E和F，每相邻的两个计数点间还有四个点未画出，每相邻两计数点间时间间隔为T，打点计时器所用电源的频率是50Hz(1)如果测得C.D两点间距离x4=2.70cm，D,E两点间距离x5=2.90cm，则小车的速度值v D=m s（结果保留三位有效数字）(2)请设计表格将实验数据填入表格中，并在如图所示的坐标系中作出小车运动的v-t图像。
（该同学分别算出其他点的速度：v A=0.220m s,v B=0.241m s,v C=0.258m s,v D=0.300m s）(3)由所作v-t图像判断小车的运动情况。
题型4：其他测速方法1、光电门传感器是测定瞬时速度的仪器，他的原理是发射端发出一条很细的红外线到另一端的接收窗口，当固定在运动物体上的一个已知宽度的挡光板通过时，它可以通过数据采集器记录挡光板经过的时间，再用挡光板的宽度除以经过的时间求得运动物体的平均速度，由于挡光板一般宽度较小，所以可以将这个平均速度当作瞬时速度，如图所示为实验室常用的实验装置2、雷达（超声波）测速主要是利用多普勒效应原理，雷达天线不断向测试方向发射一定频率的脉冲信号，当目标向雷达天线靠近时，反射信号频率将高于发射机频率；反之，当目标远离天线而去时，反射信号频率将低于发射机频率。
如此即可通过频率的改变数值，计算出目标与雷达的相对速度，现已广泛用于警察超速测试等行业。
【例6】像打点计时器一样，光电计时器也是一种研究物体运动的情况的常用计时仪器，其结构如图所示，a,b分别是光电门的激光发射和接收装置，当有物体从a,b间通过时，光电计时器就可以显示物体的挡光时间。
现利用如图乙所示的装置测量速度，乙图中MN是水平桌面，PQ是长1m左右的木板，Q是木板与桌面的接触点，1和2是固定在木板上适当位置的两个光电门，与光电门连接的光电计时器没有画出。
此外，在模板顶端的P点还悬挂着一个铅锤，让滑块d从木板的顶端滑下，光电门1，2各自连接的计时器显示的挡光时间分别为5.0⨯10-2s和2.0⨯10-2s，滑块d 的宽度为0.5cm.则滑块通过电光门1的速度v1=m s，滑块通过光电门2的速度v2=m s测得遮光条的宽度为∆x，用∆x【例7】如图所示，气垫导轨上滑块经过光电门时，其上的遮光条将光遮住，电子计时器可自动记录遮光时间∆t。
