第四节 测量直线运动物体的瞬时速度学习目标STSE情境导学1.了解两种计时器的结构和工作原理，并学会安装和使用.2.理解纸带中包含的物体运动信息.掌握用打点计时器测量瞬时速度的方法.（重点）3.理解利用纸带判断物体运动快慢的原理.（难点）电火花计时器光电门的构成知识点一打点计时器1.打点计时器的作用和分类.打点计时器是一种通过在纸带上打出一系列的点来记录物体运动信息的仪器.实验室常用的打点计时器有电火花计时器和电磁打点计时器两种.2.电火花计时器.（1）工作电源：220 V的交流电源.（2）打点周期：当电源频率是50 Hz时，每隔0.02 s打一次点.3.电磁打点计时器.（1）工作电源：46V的交流电源.（2）打点周期：当电源频率为50 Hz时，每隔0.02 s打一次点.知识点二用打点计时器测量瞬时速度的方法1.原理.在直线运动中，要测量物体在某一点的瞬时速度，可以用测量包含这一点的平均速度来近似替代.2.方法.研究物体做直线运动的纸带如图为记录物体运动轨迹打出的纸带.测量出包括点E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v，用这个平均速度近似表示纸带经过点E时的瞬时速度（如纸带1所示）.D、F两点离点E越近，算出的平均速度越接近点E的瞬时速度（如纸带2所示）.知识点三数字计时器1.构成.数字计时器是一个可以将采集信息的时间显示出来的仪器.如图所示的是由数字计时器和光电门组成的计时测量装置.2.计时原理.（1）记录物体通过一个光电门的时间.当宽度一定的物体通过光电门时，光线被遮挡，数字计时器开始计时，物体通过光电门，遮光结束，数字计时器停止计时，这样就记录下物体遮挡一个光电门的短暂时间.（2）记录物体经过两个光电门之间的时间.从任一光电门第一次遮光时开始计时，第二次遮光时停止计时，计时器显示的是两次遮光之间的时间（物体先后通过两个光电门之间的时间）.小试身手1. （多选）关于打点计时器的原理和使用方法，下列说法中正确的是（）A.打点计时器应接交流电源，交流频率通常为50 HzB.如果纸带上相邻两个计数点之间有四个点，则相邻两个计数点间的时间间隔是0.08 sC.如果打点计时器在纸带上打下的点先密集后稀疏，则说明纸带的速度由小变大D.电磁打点计时器接在220 V电源上，电火花计时器接在6 V电源上解析：打点计时器使用交流电，电磁打点计时器使用6 V以下的低压交流电源；电火花计时器使用220 V交流电源，相邻两点的时间间隔是0.02 s.答案：AC2.（多选）关于数字计时器的说法正确的是（）A.数字计时器只能记录物体通过一个光电门的时间B.数字计时器能记录物体两次通过光电门的时间C.数字计时器能记录物体先后两次经过光电门之间的时间D.数字计时器不能记录物体先后两次经过光电门之间的时间解析：数字计时器既可以记录物体遮挡一个光电门的短暂时间，也可以记录物体经过两个光电门之间的时间.答案：BC3.如图所示是某同学在测瞬时速度实验中获得的一条纸带.（1）已知打点计时器电源的频率为50 Hz，则纸带上打相邻两点的时间间隔为_.（2）A、B、C、D是纸带上的四个计数点，每两个相邻计数点间有四个点没有画出.从图中读出A、B两点间距xcm，C点对应的速度是m/s（结果保留三位有效数字）.解析：（1）由T可知周期为0.02 s.（2）A、B间距为0.680.72 cm之间，注意要估读；C点瞬时速度等于B、D间的平均速度，vC m/s0.100 m/s.答案：（1）0.02 s（2）0.70（0.680.72均正确）0.100探究一实验原理与操作一、实验目的1.了解打点计时器的结构、工作原理及使用方法.2.学会用打点计时器测量物体的速度.3.能利用v-t图像分析实验数据，描述物体的运动.二、实验原理1.两种打点计时器的对比.对比电磁打点计时器电火花计时器结构图示工作电压46 V交流电源220 V交流电源打点方式振针周期性上下振动周期性产生电火花打点周期0.02 s（根据交变电流频率而定）记录信息位置、时刻和位移、时间2.测量平均速度：根据v可求出任意两点间的平均速度，x是纸带上两点间的位移，利用刻度尺测量，t是这两点间的时间间隔. 3.测量瞬时速度：运动物体在某一时刻或某一位置（例如纸带上某点）的瞬时速度可以粗略地用包含该点在内的相距较近的两点间的平均速度来表示.三、实验器材电磁打点计时器（或电火花计时器）、低压交流电源（电火花计时器使用220 V交流电源）、复写纸（或墨粉纸盘）、导线若干、刻度尺、纸带、坐标纸.四、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.接通电源开关，用手水平拉动纸带，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个点间的位移x.五、数据处理1.测量纸带的平均速度.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.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/（ms1）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，的距离分别为s1，s2，s3，s4，再利用x1s1，x2s2s1，x3s3s2，x4x4s3，确定OA，AB，BC，CD，之间的位移x1，x2，x3，x4，（3）运动物体在A，B，C，D，各点的瞬时速度分别为vA，vB，vC，vD，3.用v-t图像描述物体的速度.（1）以速度v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）用手拉动的纸带速度变化不均匀，我们用平滑曲线把这些点连接起来，即得到vt图像，如下图所示.若速度是均匀变化的，则画直线，我们大部分实验都画直线.六、误差分析1.利用平均速度来代替运动物体在某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.分段测量计数点间的位移会带来误差.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，再分别计算出各计数点间的位移.3.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.七、注意事项1.当我们要确定纸带上某一段的时间间隔时，不要数计数点.点对应的是时刻，我们应该数有多少段线段.例如题目说“中间有4个点没画出来”，那么加上前后两个点就有6个点，有时候题目又会说“每5个点取一个计数点”，如果数点，就容易算错，所以如果我们数出来有5段线段，那么时间就是50.02 s0.1 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.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.5.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.【典例1】在进行“探究小车速度随时间变化的规律”实验中：（1）图甲、乙所示的实验器材是（选填“计时”“测速”或“测距”）的仪器.其中必须使用46 V低压交流电源的是（选填“甲”或“乙”）.（2）实验得到一条清晰的纸带，图丙所示是截取了其中一段纸带用刻度尺（单位：cm）测量时的情景，其中A、B、C、D、E、F为6个相邻的点迹.已知打点计时器所用电源的频率为50 Hz.计数点E所在位置的刻度尺读数为cm，小车加速过程中E点瞬时速度的大小为m/s.解析：（1）图甲、乙所示实验器材是计时的仪器.其中甲是电磁打点计时器，必须使用46 V低压交流电源的是甲.（2）计数点E所在位置的刻度尺读数为8.80 cm，D、F段的位移xDF11.606.405.20 cm.则E点的瞬时速度等于DF段的平均速度，即vEDF m/s1.30 m/s.答案：（1）计时甲（2）8.768.82皆可1.271.33皆可1.打点计时器有电磁打点计时器和电火花计时器，是物理实验常用仪器，请完成下列问题：（1）打点计时器接（选填“交流”或“直流”）电源，若频率为50 Hz，打点计时器每隔s打一个点；（2）根据打点计时器打出的纸带，我们可以不需要通过公式计算，由纸带能直接得到的物理量是；A.时间间隔B.位移C.平均速度 D.瞬时速度（3）下列关于打点计时器的使用，说法正确的是A.电磁打点计时器使用的是10 V以下的直流电源B.在测量物体的速度时，先让物体运动，后接通打点计时器的电源C.使用的交流电源频率越高，打点的时间间隔就越小D.纸带上打的点越密，说明物体运动的越快（4）在使用电火花打点计时器分析物体运动情况的实验中，有如下步骤：A.把电火花打点计时器固定在桌子上B.安装好纸带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，进行打点这些步骤正确的排列顺序为（填步骤前序号）.解析：（1）打点计时器接交流电源，当频率是50 Hz，打点计时器每隔0.02秒打一个点；（2）不需要通过公式计算，从纸带能直接得到的物理量是时间间隔和位移，平均速度和瞬时速度都需要计算.故选AB.（3）电磁打点计时器使用的是46 V的交流电源，故A错误；在测量物体速度时，先接通打点计时器的电源，后让物体运动，故B错误；使用的交流电源频率越高，根据T可知，打点的时间间隔就越小，故C正确；纸带上打的点越密，说明在相等时间内运动的距离越小，即物体运动得越慢，故D错误.故选C.（4）先安装固定电火花打点计时器和装好纸带，然后接通220 V交流电源，按下脉冲输出开关，进行打点，最后松开纸带让物体带着纸带运动，故正确的排列顺序为ABDEC.答案：（1）交流0.02（2）AB（3）C（4）ABDEC探究二数字计时器的应用1.数字计时器的工作原理.当宽度一定的物体通过光电门时，光线被挡，光敏元件处于暗状态，向数字计时器发出脉冲信号，触发数字计时器计时，遮光结束（物体通过）停止计时，这样就记录下物体遮挡