高一必修一打点计时器讲义.doc

一、 教学目标1、知道电磁打点计时器和电火花打点计时器的基本构造和工作原理2、知道如何使用打点计时器3、能通过纸带上点的位置关系分析物体的运动，会用打出的纸带求平均速度、加速度二、 重难点根据纸带上点的位置，进行数据处理，求解物体运动三、 知识点梳理1、 了解电磁打点计时器和电火花打点计时器的基本构造和工作原理（1）电磁打点计时器和电火花打点计时器的构造分别如下图甲、乙所示：（2） 电磁打点计时器的工作原理电磁打点计时器是利用电磁原理打点计时的一种仪器，它的工作原理可以用图1-4-2甲、乙来说明.当线圈中通人的交流电为正半周时，设电流方向如图1-4-2甲所示，则线圈中被磁化的钢制簧片左端为N极，永久磁铁使簧片受到一个向下的力;当交流电转为负半周时，电流方向如图1-4-2乙所示，簧片左端变为S极，永久磁铁使簧片受到一个向上的力.随着交变电流方向的周期性变化，簧片周期性地受到向下、向上的力就振动起来.位于簧片一端的振针随簧片的振动而在复写纸上打点.如果在复写纸下有运动的纸带，振针就在纸带上打出了一系列的点.交流电源的频率为50 Hz时，它每隔0.02 s打一个点，即打出的纸带上每相邻两点间的时间间隔是0.02 s.（3）电火花计时器的工作原理电火花计时器的原理与电磁打点计时器相同，不过在纸带上打点的不是振针和复写纸，而是电火花和墨粉，它是利用火花放电在纸带上打出小孔而显示点迹的计时仪器.使用时，墨粉纸盘套在纸盘轴上，把纸带穿过限位孔.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.当电源频率是50 Hz时，也是每隔0. 02 s打一次点.2、 用打点计时器测速度（1） 实验步骤 把电磁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. 把电磁打点计时器的两个接线柱用导线分别与电源接线柱相连接. 打开电源开关，用手水平地拉动纸带，纸带上就打下了许多小点. 取下纸带，关闭电源.从能看得清的某个点数起，数一数纸带上共有多少小点.如果共有N个点，那么点的间隔数为(N-1)个，纸带的运动时间 =0.02（N-1）s. 用刻度尺测量一下从开始计数的一点到最后一点间的距离. 利用公式计算出纸带在这段时间内的平均速度.在纸带上取连续的6个点，用刻度尺量出相邻两个点间的距离，判断纸带的这段运动是匀速运动还是变速运动.判断依据是:若连续两点间的距离相等，则物体做匀速运动;反之，则做变速运动.（2） 实验数据处理 根据纸带分析物体的运动情况并计算平均速度 A、在纸带上相邻两点的时间间隔均为0. 02 s(电源频率为50 Hz )，所以点迹密集的地方表示纸带运动的速度小. B、根据，求出任意两点间的平均速度，这里可以用直尺测量出两点间的距离，为两点间的时间间隔数与0. 02 s的乘积.这里必须明确所求的是哪两点之间的平均速度. 粗略计算瞬时速度 某点E的瞬时速度可以粗略地由包含E点在内的两点间的平均速度来表示，如图1-4-3所示，或 【说明】在粗略计算E点的瞬时速度时，可利用公式来求解，但需注意的是，如果取离E点越接近的两点来求平均速度，这个平均速度越接近E点的瞬时速度，但是距离过小会使测量误差增大，应根据实际情况选取这两个点.3、探究小车速度随时间变化的规律（1）实验原理 把纸带跟运动物体连接在一起，并穿过打点计时器，这样纸带上的点不但记录了物体的运动时间，而且相应地表示运动物体在不同时刻的位置，研究这些点的情况，就可以了解物体的运动情况.（2） 实验步骤 把附有滑轮的长木板放在实验台上，并使滑轮伸出桌面，把打点计时器固定在长木板上没有滑轮的一端，连接好电路.如图2-1-1所示. 把一条细绳拴在小车上，使细绳跨过滑轮，下面挂上合适的钩码.放手后，看小车能否在木板上平衡地加速滑行，然后把纸带穿过打点计时器，并把纸带的一端固定在车的后面.使小车停在打点计时器处，先接通电源，后释放小车让小车拖着纸带运动，打点计时器就在纸带上打下一列小点，取下纸带，将此纸带记录为纸带I. 增加一个钩码，按上述方法打出纸带II. 在打纸带I时的基础上减少一个钩码，仍按上述方法打出纸带III.整理器材.（3）实验数据的处理 纸带的选取 从三条纸带上选择一条比较理想的纸带，舍掉开头一些比较密集的点，在后边便于测量的地方找一个开始点来确定计数点.为计算方便和减小误差，通常用连续打五个点的时间作为时间间隔，即T=0.1 s. 采集数据的方法如图2-1 -2所示，不直接测量两个计数点间的距离，而是要先量出各个计数点到计时零点的距离x1、x2 、x3、x4然后再计算出相邻的两个计数点的距离. 速度的计算方法各计数点的瞬时速度用平均速度来代替，即,(为相邻两个计数点之间的时间间隔) 将各计数点对应的时刻及瞬时速度填人下表中:4、 由纸带求加速度的方法 由图2-1-5所示的纸带各计数点1,2,3,4,5所对应的速度分别是v1、v2、v3、v4、v5， T为计数点间的时间间隔.方法一:依各相邻计数点间的加速度求.从结果看，真正参与运算的只有v1和，中间各点的瞬时速度在运算中都未起作用. 方法二:逐差法求 分别以1,4,2,5 ,3 ,6,等点的速度计算加速度，即 这样可使各点的瞬时速度都参与了运算，可减小误差。比较两种方法，“方法二”比“方法一”好，一般不用方法一。 方法三:由图象求加速度由多组数据描绘出v-t图象，v-t图象的直线斜率即为物体运动的加速度. 三种方法中，最准确，科学的是方法三，不过较繁琐一点.四、 典型例题【例1】 如图1-4-13所示的四条纸带，是某同学练习使用打点计时器得到的纸带(纸带的左端先通过打点计时器).从点迹的分布情况可以断定：纸带 A、C 是匀速通过打点计时器的，纸带 B 是越走越快的，纸带 D 是开始越走越快，后来又越走越慢的。若所用电源的频率是50 Hz ,图中D纸带，从A点通过计时器到B点通过计时器，历时 0.04 s，位移为 0.27 m,这段时间内纸带运动的平均速度是 6.75 m/ s ，BC段的平均速度是 11.00 m/s ，AD段的平均速度是 7.88 m/s (保留两位小数). 【解析】速度是单位时间内物体所通过的位移。纸带上每相邻两点间的时间间隔相等，因此物体匀速运动时，相邻两.点间的距离相等，所以A,C纸带是匀速通过打点计时器的；B纸带相邻两点间距离越来越大，则速度越来越大，因此B纸带是越来越快地通过打点计时器的；D纸带相邻两点间的距离先变大，后变小，说明速度先变大后变小，因此D纸带是开始越来越快，后来又越来越慢。所用电源的频率是50 Hz，则相邻两点间的时间间隔为0. 02 s，从A点到B点有两段时间间隔，所以时间为0. 04 s ,位移为0. 27 m，这段时间的平均速度为，代入数值得平均速度为6. 75 m/s. BC段的位移为22 cm，即0. 22 m ,所用时间为0.02s，代入上式得平均速度为11. 00 m/s，而AD段的位移为63 cm,即0. 63 m,所用时间为0.08s，代入上式得平均速度为7. 88 m/s.答案A , C B D 0. 04 0. 27 6. 75 11. 00 7. 88【例2】在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，从0点开始每5个点取1个计数点的纸带如图2-1-8所示，其中，0,1,2 ,3 ,4 ,5 ,6都是计数点。测得x1=1. 40 cm , x2=1. 90 cm , x3 = 2.38 cm,x4=2. 88 cm，x5=3. 39 cm，x6=3. 87 cm.(1) 在打点计时器打出点1,2,3,4,5时，小车的速度分别为v1= 16.50 cm/s,v2= 21.40 cm/s,v3= 26.30 cm/s,v4= 31.35 cm/s,v5= 36.30 cm/s;(2)在平面直角坐标系中作出小车运动的v-t图象;(3)分析小车的速度随时间变化的规律.【解析】(1)相邻两计数点之间的时间间隔T=0.02 5s=0. 1 s则 （2）以时间t为横轴，速度v为纵轴，建立直角坐标系. 根据以上计算出来的各计数时刻的速度值，用描点法即可作出小车运动的，v-t图象，如图2-1-9所示. (3)由图可知，描绘小车运动的v-t图象是一条向上倾料的直线，可判断小车的速度是随时间均匀增加的.【点评】(1)处理纸带时，一定要分清计时点和计数点的区别，搞清计数点之间的时间间隔T;(2)小车的速度随时间均匀增加，意味着其加速度恒定.五、 课堂练习 在“测定匀变速直线运动的加速度”的实验中，用打点计时器记录纸带运动的时间，计时器所用电源的频率为50 Hz，如图111所示是一次实验得到的一条纸带，纸带上每相邻的两计数点间都有四个点未画出，按时间顺序取0、1、2、3、4、5、6七个计数点，用刻度尺量出1、2、3、4、5、6点到0点的距离分别为1.40 cm、3.55 cm、6.45 cm、10.15 cm、14.55 cm、19.70 cm.由纸带数据计算可得计数点4所代表时刻的瞬时速度大小为v4_ m/s，小车的加速度大小a_m/s2.(结果保留三位有效数字)图111解析：v4 m/s0.405 m/sx10.0140 m，x2x2x10.0215 mx3x3x20.0290 mx4x4x30.0370 mx5x5x40.0440 mx6x6x50.0515 mam/s20.756 m/s2.答案：0.4050.756六、 课后作业1、如图是某同学用打点计时器研究某物体运动规律时得到的一条纸带根据图中的数据，计算物体在AB段、BC段、CD段和DE段的平均速度大小，判断物体运动的性质AB1.20CDE1.90cm2.402.38 【答案】物体在AB段、BC段、CD段和DE段的平均速度大小分别是19.0cm/s、60cm/s、60cm/s、59.5cm/s，物体运动的性质是先加速，后匀速【解析】AB段的平均速度为 BC段的平均速度为 CD段的平均速度为 DE段的平均速度为在误差范围内，可认为，则物体先加速，后匀速2、某次实验用打点计时器交流电的频率为50Hz，纸带的记录如图14所示,图中O点为纸带的第一个点，接下来的前几个点模糊,因此从A点开始每打五个点取一个计数点,推测纸带的运动是加速还是减速？在打出A、F这两点的时间间隔中，纸带运动的平均速度是多大？ B点的瞬时速度为多大？OAB1.30CDEFG3.456.3410.0814.4019.55单位:cm图14【解析】从A点开始每打五个点取一个计数点，计数点间只有5个间隔，则计数点间运动的总时间为t=0.025s=0.1s，每隔0.1s纸带运动的位移分别是2.15cm、2.89cm、3.74cm、4.32cm、5.15cm，说明纸带作加速运动A、F间纸带运动的平均速度为B点的瞬时速度可以用AC、AD、AE或AF段的平均速度表示，其中AC段的平均速度最接近B点瞬时速度3、如图所示为一次记录小车运动情况的纸带，图中A、B、C、D、E、F、G为相邻的计数点，相邻计数点的时间间隔T0.1 s.图 113(1)在图114所示的坐标系中作出小车的vt图线 (2)将图线延长与纵轴相交，交点的速度大小是_ cm/s，此速度的物理意义是_【解析】(1)应用vn，求出各计数点B、C、D、E、F对应的速度为vB16.50 cm/s，vC21.40 cm/s，vD26.30 cm/s，vE31.35 cm/s，vF36.30 cm/s，在vt坐标系描点，连线如图所示(2)由图中可以读出，图线与纵轴交点的速度大小为11.60 cm/s，此速度表示A点的瞬时速度答案：(1)见解析 (2)11.60表示A点的瞬时速度