学生实验优秀教案案例

4 实验：用打点计时器测速度

一、实验目的

1．了解两种打点计时器的结构和工作原理，并学会安装和使用．

2．理解根据纸带测量速度的原理，学会粗略测量瞬时速度．

3．理解速度—时间图象的意义，掌握描点法画图象的方法．

二、实验原理

1．打点计时器的原理及使用．

结构

图示

工作电压

打点方式

打点周期

记录信息

220 V交流电源

周期性产生电火花

0.02 s

位置、时刻或位移、时间

6 V以下交流电源

振针周期性上下振动

0.02 s

电火花计时器

电磁打点计时器

2.跟运动物体连在一起的纸带上打出的点记录了物体在不同时刻的位置，用刻度尺测出两个计数点间的位移Δx，打两个点的时间可用Δt＝(n－1)×0.02 s求ΔxΔx得，则平均速度v＝Δt，当Δt很短时，可以认为Δt为t时刻的瞬时速度．

三、实验器材

电磁打点计时器(或电火花计时器)、学生电源(电火花计时器使用220 V交流电源)、刻度尺、纸带、复写纸、导线、坐标纸.

一、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．

3．接通电源，用手水平地拉动纸带，纸带上就打出一行小点，随后立即关闭电源．

4．取下纸带，从能看得清的某个点数起，数一数纸带上共有多少个点．如果共有n个点，则用Δt＝0.02×(n－1)s计算出纸带的运动时间Δt. Δx5．用刻度尺测量一下打下这些点纸带通过的距离Δx，利用公式v＝Δt计算纸带在这段时间内的平均速度．把测量和计算的结果填入表中. 实验次数

1

2

点数n

点划分出的间隔数n－1

运动时间Δt/s

位移Δx/m

平均速度v/m·s－1

二、数据处理

1．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T＝5×0.02 s＝0.1 s．在纸带上用O、A、B、C、D、…标出这些“计数点”，如图1-4-1所示．

图1-4-1 依次测出OA、AB、BC、CD、…之间的距离x1、x2、x3、x4、…. (3)A、B、C、D…各点的瞬时速度分别为：

x1＋x2x2＋x3x3＋x4x4＋x5vA＝2T、vB＝2T、vC＝2T、vD＝2T、…. 2．用图象表示速度

用横轴表示时间t，纵轴表示速度v，建立直角坐标系．根据测量的数据在坐标系中描点，然后用平滑的曲线把这些点连接起来，即得到如图1-4-2所示的v-t图象.

图1-4-2 三、误差分析

1．利用平均速度来代替计数点的瞬时速度自身会带来系统误差．为减小误差，应取以计数点为中心的较小位移Δx来求平均速度．

2．若采用分段测量计数点间的位移x，会使测量误差增大．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距离．

四、注意事项

1．如果在纸带上数出了n个点，那么，它们的间隔数是(n－1)个，它们的时间间隔为(n－1)×0.02 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．使用电火花计时器时，应注意把纸带正确穿好，墨粉纸盘位于纸带上方，使用电磁打点计时器时，应让纸带穿过限位孔，压在复写纸下面．

5．为了减小实验误差，计数点要每隔T＝0.1 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，Δx、Δt应取此计数点前、后两个点之xn＋xn＋1间的位移和时间．即v＝2T. 6．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．

7．对纸带进行测量时，不要分段测量各段的位移，正确的做法是一次测量完毕(可先统一测量出各个测量点到起始点O之间的距离)，读数时应估读到毫米的下一位．

实验探究1

打点计时器的原理及使用

用打点计时器可测纸带运动的时间和位移．下面是没有按操作顺序写的不完整的实验步骤，按照你对实验的理解，在各步骤空白处填上适当的内容，然后按实际操作的合理顺序，将各步骤的字母代号按顺序写在空白处．

A．在电磁打点计时器的两接线柱上分别接上导线，导线的另一端分别接在低压

(选填“交流”或“直流”)电源的两个接线柱上；

B．把电磁打点计时器固定在桌子上，让纸带穿过

，并压在

下面；

C．用刻度尺测量从计时开始点到最后一个点间的距离Δx；

D．切断电源，取下纸带，如果共有n个清晰的点，则这段纸带记录的时间Δt＝

；

E．打开电源开关，再用手水平地拉动纸带，纸带上打下一系列小点；

ΔxF．利用公式v＝Δt计算纸带运动的平均速度．

实验步骤的合理顺序是

．

【解析】

A中电磁打点计时器应使用低压交流电源；B中应将纸带穿过电磁打点计时器的限位孔，并放于复写纸的下方；D中纸带上记录的时间Δt＝(n－1)×0.02 s．合理的实验步骤为BAEDCF.

【答案】

见解析

实验探究2

计算瞬时速度并画v-t图象

某同学在“用打点计时器测速度”的实验中，用打点计时器记录了被小车拖动的纸带的运动情况，在纸带上确定出A、B、C、D、E、F、G共7个计数点．相邻计数点间的距离如图1-4-3所示，每两个相邻的计数点之间的时间间隔为0.10 s．(本题计算结果均保留3位有效数字)

图1-4-3 (1)在实验中，使用打点计时器时应先

再

(选填“释放纸带”

或“接通电源”)．

(2)每两个计数点间还有

个点没有标出．

(3)试根据纸带上各个计数点间的距离，每隔0.10 s测一次速度，计算出打下B、C、D三个点时小车的瞬时速度，并将各个速度值填入下表.

数值(m·s－1)

vB

vC

vD

vE

0.640

vF

0.721 (4)将B、C、D、E、F各个时刻的瞬时速度标在图1-4-4直角坐标系中，并画出小车的瞬时速度随时间变化的关系图线．

图1-4-4 【解析】

(1)在实验中，使用打点计时器时应先接通电源，再释放纸带．

Δt0.1 s(2)每两个计数点间还有n＝ΔT－1＝0.02 s－1＝4个点没有标出．

3.62＋4.38×10－2(3)vB＝

m/s＝0.400 m/s；

2×0.15.20＋4.38×10－2vC＝

m/s＝0.479 m/s；

2×0.15.20＋5.99×10－2vD＝m/s≈0.560 m/s.

2×0.1(4)图线如图所示：

【答案】

(1)接通电源

释放纸带

(2)4

(3)0.400 0．479

0.560

(4)见解析图

1求瞬时速度：取包含该点的尽可能短的时间间隔，应用“极限”的思想求物体的瞬时速度.如若要求纸带上B点的速度，通常是求出B点前、后相邻两点A、C间的平均速度，以此来代替B点的瞬时速度. 2图象法：图象法是处理实验数据的常用方法，运用图象处理数据有很多优点，但在利用数据作图的过程中，由于存在偶然误差，画线时有些数据点要舍掉，以减小实验误差.画图象时应把握以下三点：

①建立坐标系时，坐标原点、坐标轴表示的物理量及单位都要标注清楚. ②画速度—时间图象时，要用平滑的曲线将各个点连接起来，不能画折线. ③标度的选取要适当，尽量让图象占据坐标系的大部分空间.

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