1.4 实验：用打点计时器测速度一、教学目标：1、知道打点计时器的结构和工作原理，会安装并使用打点计时器，理解根据纸带测量速度的原理并测量瞬时速度。2、明确vt图象的物理意义，描点法画图象的方法，通过画vt图象培养学生用图象法处理数据的能力二、教学重点：1、学会使用打点计时器，能根据纸带计算物体运动的瞬时速度。2、会用描点法描绘物体的vt图象，并丛中获取物理信息。三、教学难点：处理纸带的方法，用描点法画图象的能力。四、教具准备：打点记时器 导线 纸带 刻度尺 五、教学过程：引入新课测定物体的速度并不是一件很容易的事情，特别是当物体的运动速度在不停变化时，测定某时刻的速度更是比较困难的，如上下飞舞的蝴蝶，要确定它某一时刻的速度是很困难的。我们现在只研究直线运动的速度的测量问题。当物体沿直线运动时，其位移在不断变化，要研究物体的运动，我们首先要准确记录物体运动的信息。直接测量物体运动的速度在技术上是比较复杂的，我们在测量时可以尝试通过测量物体运动的时间和位移，再经过计算或作图来判断物体的运动情况。在实验中，我们可以使用秒表和尺子，直接测量物体运动的时间和位移，但当物体运动速度太快时，采用这种方法的测量误差较大。下面我们来做这样一个实验，你的左于拿着一块表，右手拿着一枝笔，你的同伴牵动一张白纸或作业本在你的笔下沿着一条直线向前移动。你每隔0.5s用笔在纸上均匀地点上一个点。想一想，相邻两点所表示的时间有怎样的关系？相邻两点的距离跟牵动纸带的速度有什么关系？同学们以下面方式拉出纸面，均匀速度，增大速度，减少速度，总结出速度的变化与点之间距离的关系？解析：相邻两点所表示的时间有怎样的关系？相等的，无论两点之间的距离多大多小都是0.5s。相邻两点的距离跟牵动纸带的速度有什么关系？均匀速度拉出的，点与点之间的距离是均匀的，增大速度时点与点之间的距离逐渐增大，减少速度时点与点之间的距离逐渐减少。右图中a b各点的分布均匀，是匀速运动，从点的疏密程度来看，b的点较稀疏，物体的速度较大。c表示物体运动越来越快，速度在增大，d表示速度在减小。我们在这个实验中可以粗略地做出运动物体的速度来，但由于我们人为地操作，不可能做到每0.5s均匀地打一个点，所以只能是粗略的。实验器材中有一种仪器是能均匀地打点的，打点计时器就是一种记录物体运动位移和时间信息的仪器，我们可以通过测量位移和时间来计算物体运动的速度以及速度的变化快慢，下面我们就来学习打点计时的结构和工作原理及使用方法。（一）、电磁打点计时器引导学生观察打点计时器并阅读课本有关说明，明确电磁打点计时器的结构、各部分的名称、工作原理及使用方法。1、结构：线圈，振片，振针，永久磁铁，限位孔，复写纸，纸带。2、工作原理：接通交流电源后，线圈中产生周期性变化的磁场，振片被磁化，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下打下一系的点。工作电压：使用交流电源，低于10V（使用学生电源）电磁打点计时器的打点周期，即振针击打复写纸和纸带的周期，从它利用电磁感应打点的原理可知，振针是由振片带动振动的，而振片上下振动的周期就是线圈中磁场变化的周期，与所用交流电源的电流方向变化周期相对应也就是交流电的周期，等于交流电的频率的倒数，即若使用电源的频率为50Hz ，则交流电的周期为s=0.02s,我国使用的交流电的频率统一为50Hz 。周期：电源频率为50Hz，T=0.02s,即每隔0.02s打一次问：电磁打点计时器使用低压交流电源,大家想一想能否使用直流电源的,为什么?工作原理中靠电流方向改变来改变磁场方向,从而促使振动片上下振动,且振动片周期与电源电流变化周期一致,所以不能使用直流电源。课堂训练：1、电磁打点计时器的打点周期取决于（ B ） A 交流电压的高低 B 交流电的频率 C 永久磁铁的磁性强弱 D 振针与复写纸间的距离（二）、练习使用打点计时器学生自主阅读教材中的实验步骤提示：指导学生动手练习使用打点计时器，并引导学生思考：纸带上的点与小车的位移和时间是如何对应的，怎样将纸带上的点变成相关的数据？ 针对问题，学生讨论后回答。1、问：电磁打点计时器中怎样安放复写纸和纸带的位置？将复写纸套在复写纸定位销上，推动调节片，可调节复写纸位置。将纸带从限位孔穿过，再穿过复写纸圆片下，后穿过另一个限位孔。2、问：振针打的点不清晰或打不出点可能是哪些原因？怎样调整？可能是复写纸该换新的了。可能是振针的位置太高，调整振针的位置，直到打出点为止。当振针位置太低时会打出一系列的线段。可检查压纸框的位置是否升高，而阻碍了振动片，振针打不到纸带上，可将压纸框向下压恢复其原来位置。可能是振动片的振幅太小，可调整振动片的位置。电压在 4V 和 6V 的情况下，打点的清晰度有点差别，电压高的时候稍清晰，所以可调高一点电压。3、问：开启电源打点完毕后要及时关闭电源，这样做有什么好处？因打点计时器是按间歇工作设计的，故长期工作可能会因线圈发热而损坏。实验步骤： 把打点计器固定在平木板上，平木板平放在桌子上。 装纸带，将复写纸套在定位梢上，调节定位梢的位置，将纸带从限位孔穿过，再穿过复写纸圆片下，后穿过另一个限位孔。 启动电源，用手水平拉动纸带，纸带上打出一系列的点，随后立即关闭电源。 取出纸带，用刻度尺测出数据，填写在自己设计的表格中。 处理纸带时，从能够看清的某个点开始，往后数出若干个点。如果数出n个点，这些点划分出来的时间间隔数是多少？共（n-1）个。问：怎样根据纸带上的点迹计算纸带的平均速度？测出两个点间的距离，数一下这两个点间共有多少个时间间隔，即有多少个0.02s ，用这个总距离去除以所需用的时间。 （三）、用打点计时器测量瞬时速度思想方法：用某段时间内的平均速度粗略代表这段时间内的某点的瞬时速度。所取的时间间隔越接近该点，这种描述方法越准确。例1、如图，测量出包括E点在内的D、F两点间的位移x和时间t，算出纸带在这两点间的平均速度，用这个平均速度代表纸带经过点时的瞬时速度。 可以大致表示E点的瞬时速度，D、F 两点离二点越近，算出的平均速度越接近E点的瞬时速度.然而D、F两点距离过小则测量误差增大，应该根据实际情况选取这两个点。学生根据粗略表示某点瞬时速度的方法，选择合适的计数点，测量包含这个点的一段时间内的位移 x，同时记录对应的时间 t，填入中设计好的表中。根据算出刚填完的表，中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 中。从该表中能粗略看出手拉纸带运动的速度变化情况。课堂训练：1、如图所示，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为：AC = 14.0mm , AD= 25.0mm 。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 。解析：AC 间的平均速度为v=m/s=0.35m/s,AD间的平均速度为v=m/s=0.42m/s对描述B点的瞬时速度来说，AC段所取的位移间隔更小，更能接近B点的真实速度，B点的瞬时速度更接近于AC 间的平均速度0.35m/s2、运动的物体带动纸带被打点计时器打上一系列的点，这些点的距离不一定相等，但这些点能说明（ ABCD ）A 运动物体在一段时间内的位移 B 运动物体在一段时间内的运动快慢 C 运动物体在某时刻的位置 D 运动物体的运动性质解析：ABCD，可以从纸带上找出物体在某一段时间内的位移，用刻度尺测量即可。从纸带分析也可以得到物体的运动快慢，点子排列较密时，说明物体运动较慢，较疏时，说明物体运动较快，可以从纸带上相应时刻打下的点找出物体在该时刻的位置，可以从纸带上点子的疏密程度定性判断物体的运动性质 3、 通过打点计时器得到的一条打点纸带上的点子不均匀，下列判断正确的是(BC) A 点子密集的地方物体运动的速度比较大 B 点子密集的地方物体运动的速度比较小 C 点子不均匀说明物体做变速运动 D 点子不均匀说明打点计时器有故障 解析：BC，纸带上每两个相邻的点之间的时间都相等，所以点子密集的地方，说明相同长度的纸带通过打点计时器的时间长，所以物体运动的速度比较小，故 B 正确点子不均匀是由于物体在相等的时间内发生的位移不相等，即物体做变速运动所致故 C 正确4、在你练习使用打点计时器时，小车拖动纸带并在上面打下了一系列的小点。根据你所打出点的纸带，在判断纸带表示的运动是匀速直线运动还是变速直线运动时 ( D )A 应通过测量纸带表示的运动的全程来判断 B 必须通过计算任意两点间的平均速度来判断 C 必须通过计算全程的平均速度来判断 D 可以通过测量每相邻两点间的距离，看其是否都相等来判断解析：D，若物体做匀速运动，则物体在相等的时间内发生相等的位移，所以只要点子间隔均匀，也就是只要测出相邻两点间的距离就可以根据其是否相等来判断物体是否做匀速运动。（四）、电火花计时器：问：电磁打点计时器的使用过程中有哪些地方会产生误差呢？打点时振针与纸带的摩擦，纸带与限位孔、复写纸之间的摩擦。这些摩擦使纸带的运动受到阻碍，运动速度变小了。电火花计时器也是一种能均匀打点的计时仪器。它可以代替电磁打点计时器使用，使用时电源插头直接插在交流220V插座内，将裁成圆片的墨粉纸盘的中心孔套在纸盘轴上，将剪切整齐的两条普通有光白纸带从弹性卡和纸盘轴之间的限位槽中穿过，并且要让墨粉纸盘夹在两条纸带之间。这样当两条纸带运动时，也能带动墨粉纸盘运动，当按下脉冲输出开关时，放电火花不至于始终在墨粉纸盘的同一位置而影响到点迹的清晰度。墨粉纸可以使用比较长的时间，一条白纸带也可以重复使用，应注意降低实验成本电火花计时器是一种计时仪器。电源：220V交流电源。周期：与电磁打点计时器相同0.02s。原理：按下脉冲输出开关，在放电针与墨粉纸盘间产生火花放电，将墨粉蒸发到纸带上留下点迹，因为两种打点计付器原理基本一样，打点时间间隔都是0.02s，所以今后统称打点计时器。讨论：从原理上考虑，电火花计时器跟电磁打点计时器相比，哪个更好些，误差会更小？生：电火花计时器可能会更好些，因为电磁打点计时器中振针和纸带间的摩擦会更大些。电火花计时器使用中运动阻力极小，这种极小阻力来自于纸带运动的本身，而不是打点产生的，因而系统误差小，计时精度与交流电源频率的稳定程度一致，同时它的操作简易，使用安全可靠。五、用图象表示速度例：表中是世界人口数量，请你从表中直接观察世界人口的增长的趋势，和增长的情况。再用坐标画图的方向画出世界人品增长的情况。年代（年）1800193019601975198719982008人口（亿）9.119.930.340.650.460.569.8相隔年数1303015121110增加人数10.810.410.39.810.19.3解析：人口从9.1到69.8亿人，则人口数是增加的，人口增长的快慢，每增长大概10亿人所需要的年数从130年到10年，可以看出人口增长的速度是越来越快的。但从表中不能得到增长速度的变化情况。现在我们将人口与年份作成坐标图象，用x轴表示人口，用y