1、第一章 运动的描述4、实验：用打点计时器测速度张成进 江苏徐州睢宁魏集中学教学目标(一) 知识与技能1. 解电磁打点计时器和电火花打点计时器的基本构成, 知道打点计时器的计时原理，并学会使用打点计时器。2. 掌握对纸带上记录的原始数据进行处理的能力。3. 能测量平均速度和瞬时速度。4. 学会用图象表示物理规律的方法，理解 vt 图象，理解用平滑曲线“拟合”坐标系中描出的点来反映客观规律的思想。(二) 过程与方法1. 能分析、处理实验过程中出现的问题。2. 掌握建立图像的一般规律，了解用图象研究物理问题的方法。3. 掌握在极短的时间内物体的瞬时速度近似等于这段时间内的平均速度这一近似方法。(三)
2、 情感态度与价值观1. 注意培养学生养成良好的实验习惯和实验态度，体会实验在物理学发展中的重要地位。2. 注意培养学生的尊重原始测量的数据这一实事求是的科学态度。教学重点1. 打点计时器的使用。2. 由纸带分析计算平均速度和瞬时速度。3. 画物体的速度时间图象。教学难点1. 实验操作与实验仪器的调整。2. 纸带数据的处理，包括用图象表示物理规律。教学方法1. 演示实验、分组实验。教学过程引入：一、打点计时器师：今天我们要共同来认识一种新的计时仪器：打点计时器。在学习这节课之前，我想问问同学们都知道哪些计时仪器。生：（学生会回答出各种答案）师：肯定学生的回答，同时补充：7000 多年前人类发明日
3、晷，约 5000多年前，古希腊人发明最早的计时工具滴漏。公元前 1500 年，中国人修改这个装置，使它变成了水漏的形状。到了 13 世纪末，意大利米兰的工程师率先在一个塔楼里建造了世界上最早的机械打钟。1656 年，荷兰物理学家惠更斯造出了世界上第一个有摆的钟（很精确）。1820 年，瑞士研制出第一个可将秒分离出来、又可随时停下来的钟。而世界上最早的手表是于 1790 年在日内瓦制成的，但是并不完整，直到 1902 年，第一只机械手表才终于问世，1946 年美国物理学家利比首创了原子钟的原理。两年之后，在华盛顿国家标准局诞生了第一台原子钟。原子钟靠计算铯原子或者氨原子的天然振动来计时，准确性相
4、当高，300 年中的误差不到 1 秒。也许我们目前还不能预见到今后计时工具的发展状况，就象从前的人类想象不到原子钟一样。但我们可以肯定地说，随着人类的进步，计时工具也一定会不断革新发展，因为不论到什么时候，人类都需要了解时间，需要了解时间的流逝。师：现在我手上有两个秒表，我请三位同学上来配合我做个实验，测量一个直尺自由下落时完全通过其下方某一位置的时间。实验过程师：（总结）同学们是不是发现他们两个人测量的结果差距很大啊？是什么原因呢？生：有好多原因，主要原因是因为时间太短了，人反应不过来。师：是啊，但如果我们物理实验室里就要研究这样一个问题，该怎么办呢？刚才的实验很清楚地说明了秒表肯定是不能胜
5、任这个计时工作了，那就需要一个新的计时仪器，这就是我们今天要认识了解的一个新的计时仪器：打点计时器：展示仪器构造及原理说明：一、电磁打点计时器（突出计时原理，不过分追求工作原理）基本原理：打点计时器的线圈中通入 50HZ 的交流电时，电流 1 秒钟改变100 次方向，振片相当于一个磁极不断变化的电磁铁，当左端为 N 极时，振片被永久磁铁的 S 极吸引向下运动；当左端为 S 极时振片被永久磁铁的 N 极吸引向上运动，振片 1 秒钟震动 50 次，振针 0.02S 打一个点。电磁打点计时器接 46V 低压交流电源。基本操作：将纸带穿过限位孔，复写纸压在纸带的上面，拉动纸带时应没有明显阻滞，复写纸随
6、纸带的移动而转动。二、电火花打点计时器基本原理：纸条下有电源正极放电针，纸条上有一张墨粉纸盘，与纸盘轴（负极）相连（墨粉能导电）。当 按 下 脉 冲 输 出 开 关 时 ，仪器内部振荡电路产生 50HZ，高达 30KV 的脉冲电压 ， 在 放 电 针 和 墨 粉 纸 盘 间 产 生 高温电火花,高温电火花可以使墨粉汽化在纸带上。因为频率也是 50Hz，所以也是每 0.02s 打一个点电火花接 220V 高压交流电源基本操作：将 裁 成 圆 片 （ 直 径 约 38 毫 米 ） 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
7、带 （ 20700 毫 米 2） 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 。 两 条纸 带 中 只 有 下 面 一 条 纸 带 的 上 表 面 有 点 。 用 两 条 纸 带 的 原 因 是 为 了 增 大 摩 擦 ，带 动 墨 粉 纸 盘 运 动 ， 使 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 。电磁打点计时器和电火花打点计时器的比较电磁打点计时器 电火花计时器电源电压 46V 的低压交流电 220V 的高压交流电电源频率 频
8、率为 50Hz，每隔 0.02s 打一个点特 点电磁打点计时器的打点针对运动中的纸带产生冲击和摩擦，干扰了纸带的运动；电火花计时器利用高压脉冲火花放电，放电针与纸带没有接触，因而不会干扰纸带运动。所以用电火花打点计时器时纸带运动时受到的阻力小，实验误差小。提醒 两种计时器由于计时原理相同，所以在实际应用中不加区分纸带上的点是如何反映时间和物体运动情况的？师：我们先来看下面一个小实验，A 同学拿一支彩笔， B 同学拿一个纸带在你的笔下面缓慢沿直线移动，A 同学按照一定的时间间隔（如 1 秒）点击纸带，那么如此进行下去将会在纸带上留下一系列的点。那么这些点记录了哪些信息呢？从点轨迹的变化规律可以了
9、解手的运动规律吗？生：可以！首先可以很容易看出来的是每两个点之间的时间间隔是 1 秒。纸带上各点之间的距离就表示相应时间间隔内物体的位移。通过纸带上的点就手1手21111111111111笔11111111111111手211111111111111111111111111131111111111111可以了解物体的运动情况。分析情况如下图：从上图就可以看出：点轨迹的变化规律就反应出手的运动情况，研究纸带上各点之间的间隔距离，就可以了解运动物体的位移、速度的大小及其变化，也就是了解了物体的运动情况。（我们完全可以把这些点轨迹看成手的运动轨迹）如果将本例中的手换成其它物体，则点的轨迹就反应了该物
10、体的运动情况。二、练习使用打点计时器（以电磁打点计时器为例）分组实验：实验器材1、电磁打点计时器及纸带；2、复写纸片；3、两根导线；4、低压交流电源；5、毫米刻度尺。实验步骤1、把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，并且压在纸带上面，振针位于复写纸片的上方。2、把打点计时器的两个接线柱分别用导线接到 46V 低压交流电源的两个接线柱上。3、先打开电源开关，用手水平地牵拉纸带，纸带被打上了许多小点，打完纸带后立即关闭电源。4、取下纸带，从能看清楚的点数起，往后数出若干个点。如果数出 n个点，这些点划分出来的间隔数是多少？由此计算出从第一个点到第 n 个点的运动时间。（
11、如果共有六个点，那么连续相邻两点的间隔数为 5 个。用0.025 就可以计算出纸带从第一个点运动到第 6 个点时所经历的时间 t = 0.1s。）5、用毫米刻度尺量出纸带上第 1 个点到第 n 个点之间的距离。6、问：如果从第一个点开始把连续相邻两个点之间的距离分别为s1、s2、s3、s4、s5你能分别测出它们的距离吗？请你们测出来后标在纸带上并设计一个表格把结果填进去。（看看学生是直接测量每个间隔还是分别测出从第一个点到后面每个点的距离然后再相减）实验中教师需注意：1、实验前要检查打点的稳定性和清晰程度，电源电压要符合要求，必要时要进行调节或更换器材2、要让学生在教师的指导下按步骤有序操作，
12、培养学生规范进行实验操作的习惯。要强调先开电源，待打点稳定后再拉纸带。3、牵拉纸带一定要让学生亲自动手操作，然后与纸带上的点迹分布相对应，以感悟运动速度变化情况。4、手拉纸带时，速度应快一些，以防止点迹太密集。5、强调不一定要从第一个点开始，何况第一个点是很多点的重合，根本无法找到。师：我们可以看到，纸带上的点有疏有密，那点迹密集的地方表示物体运动的速度较大还是较小？生：较小，因为我们知道任何相邻的两点之间的时间间隔是相等的，点相邻各点间的距离S1(cm) S2(cm) S3(cm) S4(cm) S5(cm)迹密表示相等的时间内位移小，说明物体速度较小。师：大家思考一下，是点迹密集时的测量计
13、算后的误差小还是点稀疏时的测量计算后的误差小。生：应该是稀疏时测量计算的误差小些，因为距离越小，测量时的误差越大。师：不错，很好，为了减小实验误差，我们拉纸带时速度应该快一些，防止点迹太密集。三、分析纸带，学会用打点计时器测量平均速度和瞬时速度师：根据实验的得的纸带，大家能测量计算出某两点间的平均速度吗？如下图，大家能测出 BF 两点间的平均速度吗？生：很简单啊，根据公式 ，只需测量出 BF 之间的距离和 BF 之间tsv的时间间隔就可以了，有 402.53sBF师：由于平均速度只能平均地表示物体的运动快慢，为了更详细地了解物体运动情况，我们还需要知道物体某个时刻的瞬时速度，那同学们能测量计算
14、出物体在 D 点时的瞬时速度吗？生：能，前面我们学习过，在实际操作中是无法测量计算出物体在某位置的绝对意义上的瞬时速度的，但我们可以在这个位置周围取包含该点在内的一时间间隔很小的过程，当这个时间间隔小到我们可以把这个过程近似成匀速，那就可以把该段的平均速度近似看作该段内任一时刻的瞬时速度当然也包括你要求的那一点的速度。师：那就这个问题，我们该以包含 D 点在内的哪一段时间间隔较小的过程呢？生：CE 段！师：BF 段可以吗？生：可以，不过误差要大一些。A B C D E FS1 S2 S3 S4 S5师：那 CF、BE 段呢？生：好像都可以，只是精确程度的问题。师：回答得很好，那是不是距离取得越
15、短越好呢？生：不是，距离过小反而会使误差增大，因为距离越小，测量误差大。师：对！一般情况下，我们取 CE 段，把 CE 段的平均速度近似看作 D 点的瞬时速度。分组练习：（下面测量你自己用手拉纸带的速度，为了描述速度的变化情况，请你根据纸带上的点，每隔 0.1s 计算一次速度。先在纸带上用0,1,2,标出这些点，然后测量计算并绘制表格记录数据）提醒：这次是不是要求每个点都研究？概念：我们每隔几个点取出来做研究的点叫做计数点。纸带上真实记录的点叫打印点。要求：要严格按实际测出数据进行计算，不可主观臆造。三、用图象表示速度教学注意点：用图象表示速度，在这里主要是作为一种处理实验数据的方法，而不是作
16、为一个重要知识点，这一点在实际教学中要充分注意。作为一种方法的教学，要按一定的思维程序进行。师：许多变化过程，如气温的变化、股票的跌涨、传染病发病人数的增减可以用图象展示，目的是更直观在反映变化的规律。图象是表示变化规律的好方法。师：物体的运动也可以用图象来表示，刚才的分组练习中大家根据各自的纸带测量计算出了纸带上每隔 0.1 的点的瞬时速度，下面我们就用图象把物体速度随时间的变化规律表示出来。一、 建立坐标系，设定合适的刻度，注明单位。二、 严格按实验数据描点，根据点的分布定分析速度的变化特点。三、 用一条平滑的曲线来“拟合”坐标系中描出的点。概念：这样的图象叫做速度时间图象或 vt 图象。
17、师：为什么要用平滑的曲线而不用折线？生：是因为各个时刻都有速度，速度随时间是连续变化的，而实验中又不可能把所有时刻的速度都测出来。师：从图象上可以看出哪些信息？生：可以直观地看出速度随时间如何变化，还可以知道任一时刻所对应的速度。提醒：在作曲线“拟合”坐标系中的点时，要注意“顺势”“平滑”。如果有些点难以落在曲线上，应使它们大致均匀地分布在曲线两侧。为了使拟合曲线能更好地反映客观规律，根据实验数据作出的点不能太少，至少要有 5、6个。教师需要注意：过去，在描点之后往往说，“用一条直线（或某已知曲线）连接这些点”，为什么要用直线（或某已知曲线）而不用别的曲线？因为在过去的实验中，实验前我们都已经
18、知道坐标系中的两个物理量之间的关系及函数图象是怎样的。（例如实验前我们已经知道匀变速直线运动的速度与时间图象是一条直线）。这是验证性实验的做法。这节中，测的是手拉纸带的速度，事先并不知道速度随时间变化的规律，也就是说不知道图象是一条什么曲线。这种情况下我们只能根据所描点子的分布和走向，尝试用某条曲线来“拟合”这些测量点。这是探究性实验中常用的方法。这两种情况下的作图，操作步骤相似，但思路不一样，逻辑线索不一样，教学中要注意表达清楚。扩展：1. 匀速直线运动的速度时间图象是怎样的？2. 一物体做直线运动，试在速度时间图象中描出以下几个点：A（0s，5m/s，方向正东）；B（3s 末，3m/s，方
19、向正东）；C（5s 末，1m/s，方向正西）；D（7s 末，4m/s，方向正西）。3. 一物体做曲线运动，试在速度时间图象中描出以下几个点：A（0s，5m/s，方向正东）；B（3s 末，3m/s，方向正北）；C（5s 末，1 m/s，方向正西）。理解牢记：速度时间图象只能表示直线运动中速度与时间的变化关系，速度的正负表示速度的方向，同向为正，反向为负。看图分析：问：1、物体的速度如何变化；2、0 时刻的速度是零吗？（回忆加深：所谓零时刻是相对于我们所选过程而言）教师需注意：不能急于讲太多关于图象的知识，一步一步来，在引入“加速度”时再次提到速度时间图象，希望一点点地将用图象表示物理规律的思想深
20、入到学生的脑海里。四、误差来源分析本实验误差主要来源于点与点之间距离的测量，测量时应将各计数点与起始计数点的距离测出，而不应分别测相邻计数点的距离。此外电源频率不稳，或因振片固有频率问题振动周期不是 0.02s，也会引起实验误差。五、典型例题例 1、电磁打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器，根据打点计时器打出的纸带，我们可以从纸带上直接得到的物理量是（ AB ）A时间间隔 B位移 C平均速度 D瞬时速度例 2、在用打点计时器测定小车速度的实验中得到一条纸带，从比较清楚的点开始，每五个打印点取一个计数点，分别表明 0、1、2、3，量的 0 与 1 两点间的距离 30mm，2 与 3 两点间的距
21、离为 48mm，则小车在 0 与 1 两点1s 3s间的平均速度 0.3 m/s，在 2 与 3 两点间的平均速度 0.48 m/s，v 3v据此可判断小车做 加速 运动。例 3、采取下列那些措施，有利于减少纸带因受摩擦而产生的误差？（CD）A. 该用 6v 直流电源B. 电源电压越低越好vtC. 用平整的纸带，不用皱折的纸带D. 纸带理顺摊平，不让它卷曲、歪斜例 4、打出的点迹不够清晰的原因可能是？（ABCDE）A：电源电压偏低B：永磁体磁性不足C：振针位置过高D：复写纸陈旧E：振动片不在永磁体的中央板书一、打点计时器A、电磁打点计时器基本原理：基本操作：B、电火花打点计时器基本原理基本操作两种计时器的比较纸带上的点为什么能反映物体运动情况二、练习使用打点计时器分组实验实验步骤：1、2、3、4、5、6总结分析三、分析纸带测量计算平均速度和瞬时速度四、用图象表示速度步骤：1、2、3扩展：理解牢记五、误差分析六、典型例题
