第1章 第4节 实验：用打点计时器测量小车的速度（课件PPT）-【优化指导】2025-2026学年高中物理必修第一册（教科版2019）

描述运动的基本概念 第4节　实验：用打点计时器测量小车的速度 第一章 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 物理观念 科学探究 科学思维 1.了解电磁打点计时器的结构和工作原理，并学会安装和使用。 2．知道电火花打点计时器。 理解根据纸带测量速度的原理，学会由纸带测量平均速度和瞬时速度。 能利用v－t图像分析物体的运动。 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 三、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。 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 四、实验步骤 1．按图1安装实验器材，把打点计时器固定在长木板没有滑轮的一边，纸带前端固定在小车后部，然后穿过打点计时器，小车前端的细绳穿过定滑轮垂下。打点计时器的两个接线柱接到交流电源上(电源频率为50 Hz，电磁打点计时器接6 V交流电源，电火花打点计时器接220 V交流电源)。 图1 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 2．使小车在木板上保持静止，并靠近打点计时器，开启打点计时器的电源开关。打点计时器稳定工作后，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，如图2所示。 图2 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 五、数据处理 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)，记录在表1中。 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 表1 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 表2 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 1．打点前，应使小车停在靠近打点计时器的位置。 2．打点时，应先开启电源，待打点计时器打点稳定后，再拉动小车。 3．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。 4．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，即统一测量出各个计数点到起始点之间的距离。 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 探究点一__实验原理与操作 [例1] (1)在做用打点计时器测速度的实验时，要用到打点计时器，打点计时器是一种计时仪器，其电源频率为50 Hz，常用的“电磁打点计时器”使用的是电压为________V的________(填“直流电”或“交流电”)，它每隔________s打一个点。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 (2)接通打点计时器电源和让纸带开始运动，这两个操作之间的时间顺序关系是________。 A．先接通电源，再让纸带运动 B．先让纸带运动，再接通电源 C．让纸带运动的同时接通电源 D．先让纸带运动或先接通电源都可以 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 (3)用打点计时器测定物体的速度，当电源频率低于50 Hz时，如果仍按50 Hz的时间间隔打一个点计算，则测出的速度数值将比物体的真实速度数值________(填“偏大”或“偏小”)。 答案：(1)6　交流电　0.02　(2)A　(3)偏大 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 解析 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 解析 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 [练1] 练习使用打点计时器的实验中： (1)电火花打点计时器接________(填“交流”或“直流”)电源，当频率是50 Hz时，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，我们无需测量就可以从纸带上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 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 (3)使用打点计时器来分析物体运动情况的实验中，有如下基本步骤： ①把打点计时器固定在桌子上 ②安好纸带 ③松开纸带让物体带着纸带运动 ④接通交流电源 ⑤取下纸带 ⑥断开开关 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 这些步骤正确的排列顺序为________。 A．①②③④⑤⑥ B．①②④③⑤⑥ C．①②④③⑥⑤ D．④①②③⑥⑤ 答案：(1)交流　0.02　(2)A　(3)C 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 解析 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 解析 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 [练2] 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________(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。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 解析 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 探究点二__数据处理和误差分析 [例2] 如图1所示是在“用打点计时器测瞬时速度”的实验中得到的一条纸带的一部分，从0点开始依照打点的先后依次标为0、1、2、3、4、5、6、…，现在量得0、1间的距离x1＝5.18 cm，1、2间的距离x2＝4.40 cm，2、3间的距离x3＝3.62 cm，3、4间的距离x4＝2.78 cm，4、5间的距离x5＝2.00 cm，5、6间的距离x6＝1.22 cm。(交流电源频率为50 Hz) 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 (1)根据上面的记录，计算打点计时器在打1、2、3、4、5点时的速度并填在下表中： 关键能力 互动探究 位置 1 2 3 4 5 v/(m·s-1)           问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 (2)根据(1)中表格，在图2中画出小车的速度—时间图像，并说明小车速度变化特点：____________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 答案：(1)见解析　(2)见解析图　小车速度均匀减小 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 解析 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 解析 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 [练3] 在用手拖动纸带，测量纸带的平均速度和瞬时速度时，如图是打出的一条纸带，所用打点计时器使用交流电的频率为50 Hz。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 (1)在计算AF间的平均速度时，下列做法正确的是________。 A．用AF间距除以0.1 s B．用BE间距除以0.06 s C．用AC间距除以0.04 s D．用CD间距除以0.02 s 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 (2)在计算C点的瞬时速度时，下列说法正确的是________。 A．理论上，用AE间的平均速度代替比用BD间的平均速度代替更准确 B．理论上，不能用BC或CD间的平均速度代替 C．考虑到测量实际，用BD间的平均速度代替比用BE间的平均速度代替一定更准确 D．考虑到测量实际，用AD间的平均速度代替比用BD间的平均速度代替可能更准确 答案：(1)A　(2)D 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 解析 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 解析 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 [练4] 如图所示是一条利用打点计时器打出的纸带，0、1、2、3、4、5、6是七个计数点，每相邻两个计数点之间还有四个点未画出，各计数点到0的距离如图所示。求出各计数点的瞬时速度并画出速度—时间图像。(交流电源频率为50 Hz) 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 答案：0.195 m/s　0.40 m/s　0.61 m/s　0.69 m/s　0.70 m/s　如图所示 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 解析 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 探究点三__实验创新设计 [例3] 像打点计时器一样，光电计时器也是一种研究物体运动情况的常用计时仪器，其结构如图甲所示，a、b分别是光电门的激光发射和接收装置，当有物体从a、b间通过时，光电计时器就可以显示物体的挡光时间。现利用图乙所示装置测量，乙图中MN是水平桌面，PQ是长1 m左右的木板，Q是木板与桌面的接触点，1和2是固定在木板上适当位置的两个光电门，与之连接的两个光电计时器没有画出。此外在木板顶端的P点悬挂着一个铅锤，让滑块从木板的顶端滑下，光电门1、2各自连接的计时器显示的挡光时间分别为5.0×10-2 s和2.0×10-2 s。用游标卡尺测出小滑块的宽度d，读出滑块的宽度d＝5.015 cm。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 则滑块通过光电门1的速度v1＝________m/s，滑块通过光电门2的速度v2＝________m/s。 　　 答案：1.003　2.508 关键能力 互动探究 　　 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 解析 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 [练5] 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通过一个光电门的位移 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 关键能力 互动探究 C 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 解析 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 [练6] 用气垫导轨和数字计时器能更精确地测量物体的瞬时速度。如图所示，滑块在牵引力作用下先后通过两个光电门，配套的数字计时器记录了遮光条通过光电门1的时间为Δt1，通过光电门2的时间为Δt2，先后通过光电门1、2所用的总时间为Δt，已知遮光条的宽度为d，光电门1、2间的距离为L，则滑块通过光电门1的速度为________，通过光电门2的速度为__________，通过光电门1、2间的平均速度为________。(结果使用题目条件中的字母表示) 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 解析 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 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 Hz B．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 s C．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交流电源上，电火花打点计时器接在6 V交流电源上 素养训练 学业评价 AC 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 解析 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 2．当纸带与运动物体连接时，打点计时器在纸带上打出点迹。下列关于纸带上点迹的说法中错误的是 (　　) A．点迹记录了物体运动的时间 B．点迹记录了物体在某段时间内的位移 C．纸带上点迹的分布情况反映了物体的质量和形状 D．纸带上点迹的分布情况反映了物体的运动情况 素养训练 学业评价 C 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 解析 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 3．如图所示是同一打点计时器打出的4条纸带，在图示记录的时间内，以下说法正确的是 (　　) A．纸带均做匀速运动 B．丙纸带的平均速度最大 C．丁纸带的平均速度最大 D．乙和丁纸带的平均速度一样大 素养训练 学业评价 C 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 解析 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 4．“频闪照相”常用来研究物体的运动。如图是某小球运动时每隔0.1 s闪光一次的频闪照片，A、B、C是小球运动过程中连续的三个位置。由图可知小球从A位置运动到C位置通过的位移约是________ cm，此过程中小球运动的平均速度约是________ cm/s。 答案：3.85(±0.01)　19.25(±0.05) 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 解析 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 5．光电门传感器是使用高精度光敏器件构成的连续的光路，没有挡光时光电门不计时(即光电门内部电路________)，有物体挡光时则开始计时(即光电门内部电路________)，挡光结束后计时停止(以上均填“断开”或“接通”)。“用DIS测定瞬时速度”的实验装置如图所示，挡光片宽度为5×10-3 m，实验中挡光片通过光电门的时间为0.02 s，则挡光片开始挡光时的近似瞬时速度为__________ m/s。 答案：断开　接通　0.25 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 解析 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 6．打点计时器所用电源的频率为50 Hz，某次实验中得到的一条纸带，用毫米刻度尺测量，如图所示，请求出纸带在A、C间的平均速度的大小；在A、D间的平均速度的大小；B点的瞬时速度更接近于多少？ 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 解析 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 课时梯级训练（4） 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 谢谢观看 返回导航 高中物理 必修 第一册 （J）　 一、实验目的 通过打点计时器测量小车的速度。 二、实验原理 纸带上某一位置的瞬时速度，可以粗略地用包含这一位置在内的一小段位移Δx内的平均速度表示，即根据v＝，当Δt或Δx较小时，用这个平均速度代表纸带经过该位置的瞬时速度。 如图所示，E点的瞬时速度可用D、F两点间的平均速度代表，即vE＝。 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．根据平均速度＝，计算各段的平均速度OA、AB、BC、CD、DE……并记录在表2中。 相邻计时点间的位移Δx/m xOA xAB xBC xCD xDE xEF … 相邻计时点间的平均速度/(m·s-1) OA AB BC CD DE EF … 5.绘制v－t图像 把相邻计时点间的平均速度当作起始点的瞬时速度(例如把OA当作vO)，在如图所示的坐标纸上绘制v－t图像。 5．为减小实验误差，A、B、C、D……不一定是连续的计时点，可以每5个点(中间隔4个点)取一个计数点，此时相邻两计数点间的时间间隔T＝0.1 s。 6．计算某计数点的瞬时速度时，一般情况下，Δx、Δt应取该计数点前、后两个计数点之间的位移和时间，vn＝。 (1)电磁打点计时器的工作电压是6 V的交流电。打点间隔为交流电的频率的倒数，当电源的频率是50 Hz时，打点周期是0.02 s。 (2)使用打点计时器时，应先接通电源，让打点计时器工作，再让纸带运动使打点计时器在上面打出点迹，A正确。 (3)当交流电的频率低于50 Hz时，打点计时器打一次点的时间间隔t将大于0.02 s，利用公式v＝计算时，t取0.02 s时比真实值偏小，因此测出的速度将比真实值偏大。 (1)打点计时器接交流电源，当频率是50 Hz时，打点计时器每隔0.02 s打一个点。 (2)根据打点计时器打出的纸带，我们无需测量就可以从纸带上直接得到的物理量是时间间隔，A正确。 (3)使用打点计时器来分析物体运动情况的实验中，正确的步骤是先安装固定打点计时器和装好纸带，然后接通交流电源，进行打点，最后松开纸带让物体带着纸带运动，完成实验后断开开关，取下纸带，正确的排列顺序为①②④③⑥⑤，C正确。 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．接通电源，再用手水平地拉动纸带，在纸带上打下一系列小点。 F．利用公式v＝计算纸带运动的平均速度。 实验步骤的合理顺序是________。 答案：交流　限位孔　复写纸　(n－1)×0.02 s BAEDCF A项中电磁打点计时器应使用低压交流电源；B项中应将纸带穿过电磁打点计时器的限位孔，并压在复写纸的下方；D项中纸带上记录的时间Δt＝(n－1)×0.02 s。合理的实验步骤为BAEDCF。 (1)某点的瞬时速度可用包含该点的一段位移内的平均速度表示。由v＝得，打1点时，v1≈1.20 m/s；打2点时，v2≈1.00 m/s；打3点时，v3＝0.80 m/s；打4点时，v4≈0.60 m/s；打5点时，v5≈0.40 m/s；将数值填入表格如下。 位置 1 2 3 4 5 v/(m·s-1) 1.20 1.00 0.80 0.60 0.40 (2)描点并连线得小车的速度—时间图像，如图所示。 由图像可知，小车速度均匀减小。 (1)由纸带可知AF之间的时间间隔为t＝5×0.02 s＝0.1 s，根据＝，在计算AF间的平均速度时，用AF间距除以0.1 s，A正确。 (2)从纸带点迹距离可判断，从A到F可认为纸带做匀速直线运动，在计算“C”的瞬时速度时，由于BD更接近C点，理论上，用BD间的平均速度代替比用AE间的平均速度代替更准确，A错误；C点是BC或CD间的一个点，理论上，能用BC或CD间的平均速度代替，B错误；考虑到测量实际，用BD间的平均速度代替比用BE间的平均速度代替不一定更准确，因为BE间的距离大于BD间的距离，BE间距离的测量误差可能相对更小，C错误；考虑到测量实际，用AD间的平均速度代替比用BD间的平均速度代替可能更准确，因为AD间的距离大于BD间的距离，AD间距离的测量误差可能相对更小，D正确。 CD间的一个点，理论上，能用BC或CD间的平均速度代替，B错误；考虑到测量实际，用BD间的平均速度代替比用BE间的平均速度代替不一定更准确，因为BE间的距离大于BD间的距离，BE间距离的测量误差可能相对更小，C错误；考虑到测量实际，用AD间的平均速度代替比用BD间的平均速度代替可能更准确，因为AD间的距离大于BD间的距离，AD间距离的测量误差可能相对更小，D正确。 1点对应时刻是0、2之间的中间时刻，求出0、2间的平均速度即可认为是1点的瞬时速度，同理2、3、4、5点的瞬时速度也可求出。而相邻计数点间的时间间隔T＝0.1 s。故v1＝＝ m/s＝0.195 m/s，v2＝＝ m/s＝0.40 m/s，同理v3＝0.61 m/s，v4＝0.69 m/s，v5＝0.70 m/s。以0点为坐标原点，横坐标表示时间，纵坐标表示速度建立直角坐标系。根据前面计算出的结果在直角坐标系中描点，然后连线得到速度—时间图像如答案图所示。 滑块通过光电门1的时间t1＝5.0×10-2 s，位移是x1＝5.015 cm＝5.015×10-2 m，平均速度1＝＝1.003 m/s，所以滑块通过光电门1的速度v1＝1＝1.003 m/s。滑块通过光电门2的时间t2＝2.0×10-2 s，位移x2＝5.015 cm＝5.015×10-2 m，平均速度2＝＝2.508 m/s，所以滑块通过光电门2的速度v2＝2＝2.508 m/s。 数字计时器既可以记录物体通过一个光电门的时间，也可以记录物体先后经过两个光电门之间的时间，A、D错误，C正确；数字计时器只能计时，不能记录物体通过一个光电门的位移，B错误。 答案：　　 由于滑块经过光电门时遮光条的挡光时间较短，所以滑块经过光电门的速度可用遮光条挡光时间内的平均速度表示，则滑块通过光电门1的速度为v1＝，通过光电门2的速度为v2＝；由平均速度公式＝，可得通过光电门1、2间的平均速度为＝。 打点计时器使用交流电，电磁打点计时器使用6 V交流电源；电火花打点计时器使用220 V交流电源，交流电源频率是50 Hz，可得相邻两计数点间的时间间隔是0.1 s，A正确，B、D错误；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，C正确。 打点计时器每隔一定的时间打下一个点，因而点迹记录了物体运动的时间，A正确；同时也记录了物体在不同时刻的位置和某段时间内的位移，B正确；点迹的分布情况反映了物体的运动情况，而不能反映物体的质量和形状，C错误，D正确。 甲、乙、丙纸带上点与点之间的距离不均匀，故甲、乙、丙不是做匀速运动，A错误；丙纸带上的点迹最多，则所用时间最长，而且位移小，故平均速度最小，B错误；甲、乙、丁上均有5个点，但丁上第一个点和第五个点之间的距离最大，故丁的平均速度最大，C正确，D错误。 刻度尺的读数要估读到分度值的下一位，A所处的位置是3.50 cm，C所处的位置是7.35 cm，所以A、C间的距离是3.85 cm；小球从A运动到C有两段时间，每段时间均为0.1 s，所以小球从A运动到C所用的时间是0.2 s，此过程中小球的平均速度＝＝19.25 cm/s。 当光电门传感器之间没有物体阻挡时，光电门不计时，其内部电路断开；当光电门传感器之间有物体阻挡时，光电门开始计时，其内部电路接通。车上的挡光片开始挡光时的近似瞬时速度为v＝＝ m/s＝0.25 m/s。 答案：0.35　0.42　0.35 由题意知，相邻两点间的时间间隔为0.02 s。A、C间对应的时间间隔为0.02×2 s＝0.04 s，A、D间对应的时间间隔为0.02×3 s＝0.06 s，A、D间的距离为25.0 mm＝0.025 0 m，A、C间的距离为14.0 mm＝0.014 0 m。由公式v＝得，vAC＝ m/s＝0.35 m/s，同理vAD≈0.42 m/s，B点的瞬时速度更接近于A、C间的平均速度0.35 m/s。 $$