学生实验教学实录与评析

§1.4 实验：用打点计时器测速度

【教学目标】

（一）知识与技能

1、了解电磁打点计时器和电火花打点计时器的结构和工作原理，练习使用打点计时器。

3、能从纸带上看出物体运动的信息，了解根据纸带测量速度的原理并能测量瞬时速度。

4、理解速度—时间图象的意义，尝试画出该实验中的速度—时间图象。

（二）过程与方法

1、通过学生自己看打点计时器的说明书，培养学生独立学习的能力。

2、通过对纸带的处理过程培养学生获取信息、处理信息的能力，体会处理问题的方法。

3、通过画速度—时间图象培养学生用图象法处理数据的能力，体验数学工具在物理学中的作用。

（三）情感、态度与价值观

1、体会打点计时器的巧妙设计，领悟如何间接测一些不能直接测量的物理量的方法。

2、让学生亲自经历实验过程，体验科学实验过程的艰辛与喜悦，从中培养学生交流合作，分析解决实际问题的能力。

【教学重难点】

1、

打点计时器的正确使用方法。

2、

由纸带计算物体运动的瞬时速度。

3、

物体速度-时间图像的画法。

【课时安排】

2课时。

【教学用具】

打点计时器, 学生电源, 导线, 纸带, 刻度尺, 小车细线及钩码, 坐标纸。

【教学过程】

（一）

课前预习：

第一次实验课，向学生介绍实验室要求和安全注意事项。提前要求学生课前阅读教科书第90页《学生实验》部分的内容。不要求学生一次性读懂，而是让学生更多地了解物理实验的重要性，对物理实验的意义有更多的认识。

采取了小组负责制，即每三位同学组成一个实验小组，推荐其中一名同学作为组长，先由组长负责学习效果的组内交流，然后形成文字材料交送教师批阅，课前由教师随机抽查学习效果。

（二）

课程引入：

教师设疑：前一节我们学习了速度，同学们知道在日常生活中测物体的速度的方法有哪些吗？它们各有什么优缺点？

回答1（很容易）：利用刻度尺和秒表。优点：简单可靠。缺点：物体的瞬时速度无法直接测出。

回答2（较容易）：用汽车速度计测汽车的速度。优点：可以准确显示其汽车的瞬时速度；缺点：只适用于交通工具。

回答3（较困难）：利用频闪照相测速度。根据照片和实物的比例推算出照片中不同时刻物体位置间的位移，再根据频闪时间可计算速度。优点：形象直观；缺点：难以捕捉到物体实际运动的照片。

教师总结：基于以上讨论，在实验室中，为了能比较精确测出运动物体的速度，我们一起学习一种重要仪器——打点计时器。

（三）

新课教学：

一、阅读教材，回答以下问题。（约10分钟）：

（1）打点计时器的结构？

（2）电磁打点计时器和电火花打点计时器的异同？

（3）用打点计时器测速度的原理？

（4）打点计时器的使用方法？

（5）使用打点计时器时的注意事项？

明确：

（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：

图1

电磁打点计时器

图2 电火花打点计时器

（2）相同点：两种计时器都是测定匀变速直线运动中常用工具，打点的频率和周期相同，有相同的数据采集方法与数据整理分析方法等。

主要不同点：①

电磁打点计时器输入电压为4~6伏特交流电压，电火花计时器外接电压为交流220伏特。②

电磁打点计时器利用其振针上下振动通过复写纸在纸带上留下一行点；电火花打点计时器是利用经接正极的放电针和墨粉纸盘到接负极的纸盘轴，产生火花放电，于是在纸带上打出一系列的点。

（3）工作原理：

如果把纸带跟运动的物体连接在一起，打点计时器便在纸带上打下一系列的点，这些点既记录了运动物体在不同时刻的位置，也记录了相应的时间。通过对纸带上点子之间距离的研究，可以了解物体运动的情况。

（4）使用方法（以电磁打点计时器为例）：

①

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。

②

把电磁打点计时器的两个接线柱用导线分别与6V的低压交流电源的接线柱相连接。

③

闭合电源开关，用手水平地拉动纸带，纸带上就打上一列小点。

④

重复实验两次，从中找出一条点清晰且在一条直线上的纸带，并进行分析。

（5）注意事项：

①

使用电火花计时器时，应注意把两条白纸带正确穿好，墨粉纸盘夹在两纸带之间，使用电磁打点计时器时，应让纸带通过限位孔，压在复写纸下面。

②

使用计时器打点时，应先接通电源，待打点计时器稳定后，再释放纸带。

③

打点计时器在纸带上应打出轻重合适的小圆点，如遇到打出的是短横线，应调整一下振针距复写纸片的高度使之增大一点。

例题1：

关于打点计时器，下例说法中正确的是：

A、打点计时器在纸带上打出的一系列点中，相邻两点的距离相同。

B、电磁打点计时器和电火花打点计时器打点的周期和频率都相同。

C、使用打点计时器时，应先拉动纸带，再接通电源。

D、纸带上的点的速度反映了打点计时器打点的速度。

答案：B。

二、用打点计时器测量平均速度和瞬时速度：

请学生尝试通过纸带上的点的情况判断物体的运动情况：

明确：（a）(b)的各点分布较为均匀，是匀速运动，但从点子的疏密程度来看，(b)上的点子较稀疏，所反映的物体运动较快，速度较大.（c）表示物体运动得越来越快，速度在增大，（d）表示物体运动得越来越慢，速度在减小.

思考与讨论：

（1）怎样根据纸带上的点计算纸带的平均速度？

（2）怎样根据纸带上的点计算纸带的瞬时速度？

对于题（1），学生可能不知道纸带上两个相邻点的时间就是打点计时器的周期。这需要老师点拨。对于题（2），学生更是素手无策，不知道如何求瞬时速度。鉴于此，讲解如下：

根据平均速度的计算公式：v=△x/△t，这里△x可以用直尺测量出两点间的距离，△t为两点间点的间隔数与0.02s的乘积。这里必须明确所求的是哪两点之间的平均速度。如：

用直尺测量到0～1两点的距离是3cm，中间点的间隔数5，因此总时间是0.02×5s=0.1s 故0～1两点间的平均速度vx10.03m/s0.3m/s。

T0.1要测量图中E点的瞬时速度，我们可以测量DG两点间的平均速度来代替，这样结果比较粗略。由瞬时速度的定义，当△t 非常小时，v= △x/ △t 可以近似看作瞬时速度，如图所示，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△xDE0.1sF

的平均速度v= △x/ △t ，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。

例题2：

如图1－23为某次实验时打出的纸带，打点计时器每隔0.02s打一个点，图中O点为第一个点，A、B、C、D为每隔两点选定的计数点。根据图中标出的数据，打A、D点时间内纸带的平均速度有多大？打B点时刻纸带的瞬时速度有多大？计算的依据是什么？你能算出打O、D点时间内纸带的平均速度吗？图1－23 为什么？

解析

AD段的平均速度

vADAD43.2515.50cm/s231.25cm/s

tAD0.0223当时间间隔很短时，可以用平均速度代替瞬时速度，故B点的瞬时速度

vBAC32.5015.50cm/s212.50cm/s

tAC0.0222无法算出OD段的平均速度，因为不知道O、D间有多少个点，因而不知道OD段的时间间隔。

三、用图像表示速度：

图象是研究物理问题中经常使用的一种数据处理方式，图象法处理数据直观、方便，图象法在生活中也有广泛的应用，例如气温的变化、股票的跌涨、学习成绩的浮动等等都可以用图象简便地表示出来.图象是表示变化规律的好方法.我们也可以用图象来描述物体的速度变化情况，那么怎样用图象来表示物体运动的速度呢？

指导学生自主阅读课文，尝试作出如下的图象——速度时间图象。

手拉纸带的数据

距离d/m 0.029 0 0.038 3 0.044 9 0.045 9 0.045 9 0.056 0 0.057 8 0.056 2 0.057 8 0.057 4 0.058 8 时间t/s 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 速度v/(m·s-1) 0.29 0.38 0.45 0.46 0.46 0.56 0.58 0.56 0.58 0.57 0.59 教师指导学生：

（1）建立直角坐标系：

在坐标纸上纵坐标表示速度、横坐标表示时间，横轴、纵轴单位长度的确定要根据实验数据的最大值、最小值合理选取，使描绘的v-t图象能充满坐标平面的大部分空间.

（2）描点：

根据表中数据准确地描出各点，注意描点时要细且黑。

（3）拟合：

学生容易用折线连接各点，教师在肯定学生的这种做法的同时建议学生用一条平滑的曲线来“拟合”这些点，曲线反映的规律应该与实际情况更接近。于是得出手拉纸带的速度—时间图象：

（四）

课堂总结与布置作业：

总结：

一、电磁打点计时器

1.原理

2.构造

3.使用注意事项

二、电火花计时器

1.原理

2.构造

3.使用注意事项

三、练习使用打点计时器

四、用打点计时器测量瞬时速度

五、用图象表示速度

作业：

课后“问题与练习”：第2、3题。