(讲义)第1章 4.实验：用打点计时器测量小车的速度-【提分教练】2023-2024学年新教材高中物理必修第一册(教科版2019)

4．实验：用打点计时器测量小车的速度 1．了解电磁打点计时器、电火花打点计时器的构造及工作原理． 2．学会安装和使用打点计时器并会用打出的纸带求平均速度． 3．掌握测瞬时速度的方法，会用打出的纸带求瞬时速度． 4．能根据实验数据作出物体的速度—时间图像，并能根据图像分析物体的运动． 一、实验原理和方法 1．两种打点计时器的比较： 电磁打点计时器 电火花打点计时器 结构示意图 打点原理 电磁作用下振针上下周期性振动打点 脉冲电流经放电针、墨粉纸盘到纸盘轴放电打点 工作电压 6 V以下交流电源 220 V交流电源 打点周期 0.02 s 0.02 s 阻力来源 纸带与限位孔、复写纸的摩擦，纸带与振针的摩擦 纸带与限位孔、墨粉纸盘的摩擦，比前者小 功能 功能相同，都是计时仪器 2．根据纸带计算平均速度：根据v＝可求出任意两点间的平均速度，Δx是纸带上两点间的距离，利用刻度尺测量，Δt是这两点间的时间间隔． 3．粗略计算瞬时速度：纸带上某点的瞬时速度可以粗略地由包含该点在内的相距较近的两点间的平均速度来表示． 二、实验器材 小车、附有滑轮的长木板、打点计时器、纸带、细绳、刻度尺、坐标纸． 三、实验步骤 1．如图所示，把一端附有滑轮的长木板放在实验桌上，并使滑轮伸出桌面，把打点计时器固定在长木板上没有滑轮的一端，连接好电路． 2．把一条细绳拴在小车上，使细绳跨过滑轮，把纸带穿过打点计时器，并把纸带的一端固定在小车的后面． 3．把小车停在靠近打点计时器处，接通电源后，待打点稳定后，用手拉动细绳，使小车沿木板做直线运动．待小车运动约一半距离时松开手，使小车依靠惯性继续运动直到左端纸带上会留下一系列点迹． 4．更换纸带，让小组的每一位同学都亲自动手提动小车运动，并打出一条比较清晰的纸带． 四、处理数据 (1)在纸带上选取一段点迹清晰并且没有重叠的区间，把第1个点标为O，而后依次标为A、B、C、D… (2)用刻度尺测量各点的位置(一般使刻度尺的零刻度线与O点对齐，即O点的位置记为0)，并记录在表1中． 表1 计数点序号 O A B C D E … 计数点对应的时刻/s 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 计数点对应的位置坐标x/m (3)计算各相邻计时点间的位移xOA、xAB、xBC、xCD、xDE…并记录在表2中． (4)计算各段的平均速度OA、AB、BC、CD、DE…并记录在表2中． 表2 相邻计时点间的 位移Δx/m xOA xAB xBC xCD xDE … 相邻计时点间的平均 速度v/(m·s－1)OA AB BC CD DE … 五、绘制v­t图像 (1)用横轴表示时间t，纵轴表示速度v，建立直角坐标系，把相邻计时点间的平均速度当作起始点的瞬时速度，在坐标纸上绘制v­t图像． (2)v­t图像的意义 v­t图像能非常直观地反映速度随时间变化的情况，它并不是物体的运动轨迹． 六、误差分析 1．利用平均速度来代替计数点的瞬时速度造成系统自身误差．为减小此种误差，应取较小位移Δx来求平均速度． 2．测量计数点间的位移x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距离． 3．计数点间的时间Δt搞错．n个计数点间的时间间隔为Δt＝(n－1)×0.02 s，而非Δt＝n×0.02 s. 4．作v­t图像不用坐标纸、尺子，坐标单位选定的不合理，作图粗糙带来误差． 七、注意事项 1．打点前，应使物体停在靠近打点计时器的位置． 2．使用计时器打点时，应先接通电源，待打点计时器打点稳定后再释放小车． 3．使用电火花打点计时器时，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． 4．使用电磁打点计时器时，如打出点较轻或是短线，应调整振针距复写纸的高度． 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． 6．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测量点O之间的距离).读数时应估读到毫米的下一位． 【典例1】　打点计时器所用电源的频率为50 Hz，某次实验中得到一条纸带，用毫米刻度尺测量的情况如图所示，纸带在A、C间的平均速度为________m/s，在A、D间的平均速度为________m/s，B点的瞬时速度更接近于________m/s.(结果保留两位小数) [解析]　由题意知，相邻两点间的时间间隔为0.02 s A、C间的距离为14 mm＝0.014 m A、C间对应的时间为0.02×2 s＝0.04 s A、