2019-2020學(xué)年高一上學(xué)期人教版物理必修一講義：第一章第4節(jié)打點計時器測速度要點梳理

1、打點計時器測速度【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1 .知道電磁打點計時器、電火花計時器的構(gòu)造及工作原理2 .學(xué)會使用打點計時器3 .會用打出的紙帶求加速度、瞬時速度4 .能通過紙帶上點的位置關(guān)系分析物體運動【要點梳理】要點一、電磁打點計時器與電火花計時器的構(gòu)造和工作原理要點詮釋：1 .電磁打點計時器及電火花計時器的構(gòu)造電磁打點計時器及電火花計時器的構(gòu)造分別如圖甲、乙所示.2 .電磁打點計時器的原理電磁打點計時器是利用電磁原理打點計時的一種儀器，它的工作原理可以用圖甲、乙 來說明.當(dāng)線圈中通入的交流電為正半周時，設(shè)電流方向如圖甲所示，則線圈中被磁化的鋼制簧片左端為N極，永久磁鐵使簧片受到一個向下的力；當(dāng)交流電轉(zhuǎn)為負

2、半周時，電流方向如圖乙所示，簧片左端變?yōu)镾極，永久磁鐵使簧片受到一個向上的力.隨著交變電流方向的周期性變化，簧片周期性地受到向下、向上的力就振動起來. 位于簧片一端的振針隨簧片的振動而在復(fù)寫紙上打點.如果在復(fù)寫紙下有運動的紙帶，振針就在紙帶上打出了一系列的 點.交流電源的頻率為 50Hz時，它每隔0.02s打一個點，即打出的紙帶上每相鄰兩點間的 時間間隔是0.02s .乙3 .電火花計時器的工作原理電火花計時器的原理與電磁打點計時 紙帶問題分析器相同， 不過在紙帶上打點的不是振針和復(fù)寫紙， 而是電火花和墨粉， 它是利用火花放電在紙帶上打出小孔而顯示點跡的計時儀器 使用時， 墨粉紙盤套在紙盤軸上

3、， 把紙帶穿過限位孔當(dāng)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)生火花放電，于是在運動的紙帶上就打出一行點跡當(dāng)電源頻率是50Hz 時，也是每隔 0.02s 打一次點 4. 電磁打點計時器與電火花計時器的比較兩種計時器使用的都是交流電源；當(dāng)電源的頻率為 50Hz時，都是每隔0.02s打一個點 電磁打點計時器使用46V交流電，電火花打點計時器工作電壓是220V交流電.無論是使用電磁打點計時器還是使用電火花計時器， 打出的紙帶上的點， 都記錄了紙帶運動的時間 如果紙帶是跟物體連接在一起的， 紙帶上的點就相應(yīng)地表示出了運動物體在不同時刻的位置， 研究點之間的距

4、離， 就可以了解在不同時間里物體發(fā)生的位移、 速度的大 小和變化情況電火花計時器工作時紙帶運動受到的阻力比較小，實驗誤差較小.5. 使用打點計時器的注意事項會安裝復(fù)寫紙，并且會調(diào)節(jié)復(fù)寫紙的位置，將紙帶從復(fù)寫紙下穿過.將計時器接入50Hz 交流電源，從交流4V 開始，觀察振片振動情況，若振片振幅較小，再升高電壓至6V；對電火花計時器， 應(yīng)將墨粉紙盤套在紙盤軸上， 兩條紙帶要對齊穿過限位孔， 墨粉紙盤夾在 中間，使用 220V 交流電源開啟打點計時器， 待12s再拖動紙帶打出點，觀察點跡是否清晰，打完紙帶后，立即關(guān)閉電源在紙帶上打不出點或點跡顏色過淡情況下， 糾正時大致從以下方面注意： 電源電壓較

5、低情況下，可適當(dāng)提高 （ 對電火花計時器這種情況較少） ；調(diào)整復(fù)寫紙位置或更換復(fù)寫紙（ 或墨粉紙盤 ） ；調(diào)整打點計時器調(diào)整打點計時器 如果打不出點， 首先要檢查壓紙框的位置是否升高， 阻礙了振片上的振針打不到紙帶上，若是，可將壓紙框向下壓， 恢復(fù)到原來的位置 這種情況一般是由于操作不當(dāng)引起的 另外也可能是振片沒有工作， 在共振情況下， 此時可松動固定振片的螺絲，適當(dāng)調(diào)節(jié)振片位置， 緊固后觀察振幅， 若達到或接近共振狀態(tài)即可正常工作 如果振片振動較大仍打不出點，可調(diào)整振針的位置，直到打出點為止 若振針向下調(diào)節(jié)過長，則打點的聲音過大，且易出現(xiàn)雙點，調(diào)節(jié)時要仔細如果將打點計時器錯接在學(xué)生電源的直流

6、電源上 （ 非穩(wěn)壓電源） ， 也能在紙帶上打出點跡，這是因為直流輸出單向脈沖電流，頻率為 100Hz,會導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理時錯誤.使用電火花計時器時，若用一條紙帶要將紙帶壓在墨粉紙盤下，打完一條紙帶后要將墨粉紙盤轉(zhuǎn)一角度再打另一紙帶， 否則會只用紙盤的某一位置， 打出的點跡顏色較淡； 若使用雙紙帶， 將墨粉紙盤夾在中間， 拖動時由于兩條紙帶的摩擦作用， 墨粉紙盤會隨紙帶轉(zhuǎn)動， 電火花將墨粉紙盤上不同位置的墨粉蒸發(fā)到紙帶上， 點跡顏色較重， 而上面的紙帶沒有點跡， 可重復(fù)使用， 但用兩條紙帶時摩擦阻力較大不管用哪種方法， 打完紙帶后都應(yīng)立即關(guān)閉電源要點二、實驗原理和步驟、注意事項 要點詮釋：1. 實驗

7、目的進一步練習(xí)打點計器的使用、紙帶數(shù)據(jù)處理和測量瞬時速度的方法.利用打點紙帶研究小車的運動情況，分析小車的速度隨時間變化的規(guī)律.2 .實驗器材附有滑輪的長木板、小車、帶小鉤的細線、鉤碼若干、打點計時器、紙帶、刻度尺、導(dǎo) 線、交流電源.3 .實驗原理把紙帶跟運動物體連接在一起，并穿過打點計時器，這樣紙帶上的點不但記錄了物體的運動時間，而且相應(yīng)地表示運動物體在不同時刻的位置，研究這些點的情況，就可以了解物體的運動情況.4 .實驗步驟把附有滑輪的長木板放在實驗臺上，并使滑輪伸出桌面，把打點計時器固定在長木板上沒有滑輪的一端，連接好電路，如圖所示.制動裝置 小車紙帶按電源把一條細繩拴在小車上，使細繩跨

8、過滑輪， 下面掛上合適的鉤碼.放手后，看小車能否在木板上平衡地加速滑行， 然后把紙帶穿過打點計時器，并把紙帶的一端固定在車的后面.使小車停在打點計時器處，先接通電源，后釋放小車，讓小車拖著紙帶運動，打點計時器就在紙帶上打下一列小點，再按同樣的方法(不改變鉤碼個數(shù))打出兩條紙帶.從這三條紙帶中選用一條最清晰的，記錄為紙帶I .增加一個鉤碼，按上述方法打出紙帶n.在打紙帶I時的基礎(chǔ)上減少一個鉤碼，仍按上述方法打出紙帶出.整理器材.5 .注意事項(1) 平行：紙帶和細繩要和木板平行.(2) 一先一后：實驗中應(yīng)先接通電源，后讓小車運動；實驗后應(yīng)先斷開電源后取紙帶.(3) 防止碰撞：在到達長木板末端前應(yīng)

9、讓小車停止運動，要防止鉤碼落地和小車與滑輪相撞.(4) 減小誤差：小車的加速度宜適當(dāng)大些，可以減小長度的測量誤差，加速度大小以能在25 50 cm的紙帶上清楚地取出 67個計數(shù)點為宜.(5) 弄清間隔：要區(qū)別計時器打出的點與人為選取的計數(shù)點，一般在紙帶上每隔四個點取一個計數(shù)點，即時間間隔為T= 0.02 X5s=0.1s .(6) 仔細描點：描點時最好用坐標(biāo)紙，在縱、橫軸上選取合適的單位.用細鉛筆認真描 與 八、要點三、實驗數(shù)據(jù)的處理要點詮釋：1.紙帶上點的意義表示和紙帶相連的物體在不同時刻的位置.通過研究紙帶上各點之間的間隔，可以判斷物體的運動情況.可以利用紙帶上打出的點來確定計數(shù)點間的時間

10、間隔.2.紙帶的選取從三條紙帶上選擇一條比較理想的紙帶，舍掉開頭一些比較密集的點，在后邊便于測量的地方找一個開始點來確定計數(shù)點.為計算方便和減小誤差，通常用連續(xù)打五個點的時間作為時間間隔，即T= 0.1s . 3.采集數(shù)據(jù)的方法如圖所示，不直接測量兩個計數(shù)點間的距離，而是要先量出各個計數(shù)點到計時零點的 距離XI、X2、X3、X4然后再計算出相鄰的兩個計數(shù)點的距離.l_ X1= X1 , |_x2= x2 -X1 , |_ x3= x3 x2 , l_X4= x4 - x5 , |_ X5= X5 X4 0 12345M .蒞 j A/ A&Ax50 x,飛/陽/4cm4.根據(jù)紙帶分析物

11、體的運動情況并計算速度(1)根據(jù)紙帶分析物體的運動情況并計算平均速度在紙帶上相鄰兩點的時間間隔均為0.02s(電源頻率為50Hz),所以點跡密集的地方表示紙帶運動的速度小.根據(jù)v=絲，求出任意兩點間的平均速度，這里x可以用直尺測量出兩點間的距離，. t x為兩點間的時間間隔數(shù)與 0.02s的乘積.這里必須明確所求的是哪兩點之間的平均速度. (2)粗略計算瞬時速度某點E的瞬時速度可以粗略地由包含E點在內(nèi)的兩點間的平均速度來表示，如圖所示，VF = VDG 或 VE =VDF .e西丁8一, 弓、，1A , “，一 一、, 一一：X ，一一 ，一、一，一【說明】在粗略計算 E點的瞬時速度時，可利用

12、 v = 一 公式來求解，但需注意的是，t如果取離E點越接近的兩點來求平均速度，這個平均速度越接近 E點的瞬時速度，但是距離過小會使測量誤差增大，應(yīng)根據(jù)實際情況選取這兩個點.各計數(shù)點的瞬時速度用平均速度來代替，即V1 =普蓍2，V2 =,.(At為相鄰兩個計數(shù)點之間的時間間隔 )將各計數(shù)點對應(yīng)的時刻及瞬時速度填入下表中:計數(shù)點位置編號n0123456時間t/s00.10.20.30.40.50.6相鄰兩計數(shù)點間的距離s/m對應(yīng)計數(shù)點的速度 v/(m - sT)5.由實驗數(shù)據(jù)得到 v-t圖象如何由實驗數(shù)據(jù)得出 v-t圖象有了原始實驗數(shù)據(jù)，如何更好地確定運動規(guī)律呢？最好的方法是作 v-t圖象，具體

13、的運動規(guī)律便能直接顯現(xiàn).根據(jù)表格中的v、t數(shù)據(jù)，在直角坐標(biāo)系中仔細描點.作一條直線，使同一次實驗得到 的各點盡量落到這條直線上，落不到直線上的各點， 應(yīng)均勻分布在直線的兩側(cè)，這條直線就是本次實驗的v-t圖象，它是一條傾斜的直線，如圖所示.* s")如何由實驗得出的 V-t圖象進一步得出小車運動的速度隨時間變化的規(guī)律可以從兩條途徑進行：一是通過直接分析圖象（如圖所示）的特點得到.小車運動的 V-t圖象是一條傾斜的直線， 那么當(dāng)時間增加相同的值 t ,速度也會增加相同的值 V.也就可 得出結(jié)論：小車的速度隨時間均勻增加（或變化）.* s-，）二是通過圖象寫出函數(shù)關(guān)系式進一步得到結(jié)論，既然

14、小車的v-t圖象是一條傾斜的直線，那么v隨t變化的函數(shù)關(guān)系式為 v=kt+b，顯然v與t成“線性關(guān)系”小車的速度隨時 間均勻增加（或變化）.6.由紙帶求加速度的方法由圖所示的紙帶各計數(shù)點1、2、3、4、5所對應(yīng)的速度分別是v1、v2、v3、v4、v5- T為計數(shù)點間的時間間隔.al =v2 -Vl，a2，a3 =v4 -V3求加速度的平均值-ai a 2aa 二n(V2 Vi) (V3 V2)<Vn 1 -Vn)nTVn 1 - ViTn從結(jié)果看，真正參與運算的只有V1和Vn+l,中間各點的瞬時速度在運算中都未起作用.方法二：逐差法求 乂 - ；：Xiai =3T2ai a2 a33_

15、Ax5 - Ax2_ Ax6 - Ax3a2 n) a3 n，八23T23 3T2(漢4 , X5 %)-( Xix2x3)9T2“方法二”比這樣可使各點的瞬時速度都參與了運算，可減小誤差.比較兩種方法, “方法一”好，一般不用方法一.方法三：由圖象求加速度由多組數(shù)據(jù)描繪出 V-t圖象，V-t圖象的直線斜率即為物體運動的加速度.三種方法中，最準(zhǔn)確，科學(xué)的是方法三，不過較繁一點.要點四、一些利用現(xiàn)代技術(shù)測速度的方法除用打點計時器測速度外，還可用以下的方法進行測量：（1） 借助傳感器用計算機測速度如圖所示是一種運動傳感器的原理圖，這個系統(tǒng)由A、B兩個小盒子組成.將紅外線、超聲波發(fā)射器 A盒固定在小

16、車上，接收傳感器B盒固定在某一位置并調(diào)整其高度與傳感器A等高.小車上A盒發(fā)射器對著接收器 B,并處在同一直線上.將接收傳感器B探測到的紅外線、超聲波到達的時間差等數(shù)據(jù)輸入計算機，利用專門軟件可以分析小車的位移與時間的關(guān)系.將這些位移和對應(yīng)的時間差再利用計算機進行處理，就可以分析小車的速度隨時間的變化.根據(jù)小車的兩個位置變化可求得x,兩位置的時間差為 t,則小車速度v = 9x.tA1運動方向：二彳.久 一 】 匚一一X, （2） 利用光電門測瞬時速度實驗裝置如圖所示，使一輛小車從一端墊高的木板上滑下，木板旁裝有光電門，其中A管發(fā)出光線，B管接收光線.當(dāng)固定在車上的遮光板通過光電門時，光線被阻擋，記錄儀上 可以直接讀出光線被阻擋的時間.這段時問就是遮光板通過光電門的時間.根據(jù)遮光板的寬度X和測出的時間 t ,就可以算出遮光板通過光電門的平均速度'V = i.由于遮光板%的寬度 x很小，因此可以認為，這個平均速度就是小車通過光電門的瞬時速度.(3)利用頻閃照相分析計算物體的速度頻閃照相法是一種利用照相技術(shù)，每間隔一定時間曝光， 從而形成間隔相同時間的影像的方法.在頻閃照相中會用到頻閃燈，它每隔相等時間閃光一次，例如每隔