实验一 练习使用打点计时器测量纸带的平均速度和瞬时速度-高中物理必修第一册实验指导(通用版)

实验一 实验一 练习使用打点计时器 测量纸带的平均速度和瞬时速度 实验目标 1.了解两种打点计时器的基本结构，理解其基本工作原理，学会安装和使用。 2.理解根据纸带测量速度的原理，会根据纸带上的点计算平均速度。 3.了解用图像法直观反映物体速度变化的方法，会根据图像分析物体的运动 情况。 基础知识 1.平均速度表示运动物体在某一段时间内运动的平均快慢程度，瞬时速度表 示运动物体在某一时刻的速度。当纸带上所取两点时间较短时，我们可用平均速 度代表两点间某点的瞬时速度。 2.两种计时器的比较 电磁打点计时器 电火花计时器 电源 6V以下低压交流电源 电源 打点 频率50Hz,打点时间间隔0.02s 频率 ,打点时间间隔 频率 打点 振针通过复写纸在纸带上打点 火花放电使墨粉在纸带上成点 方式 阻力 纸带与限位孔的摩擦，振针与纸 纸带与限位孔的摩擦 来源 带打点接触时的摩擦 说明 工作时纸带所受阻力较小，应优先选用 【实验材料】 打点计时器及纸带、导线、交流电源、刻度尺、坐标纸等 1 普通高中学生实验指导·物理·必修第一册（通用版） 实验过程 1.了解打点计时器的结构、原理及使用方法 限位孔 振针 永久磁铁 线圈 复写纸 人纸带振片 电磁打点计时器 负脉冲输出插座（黑色） 墨粉纸盘 纸盘轴 正脉冲输出插 座（红色） 脉冲输 ⊙)出开芙 弹性卡 压纸条 g归 1 >纸带 电源插头 电火花计时器 (1)电磁打点计时器的工作原理 电磁打点计时器是利用电流的磁效应打点计时的仪器。当计时器的线圈中通 人 电流时，线圈将产生磁场，由于电流是周期性变化的，所以线圈产生的 磁场也是 变化的，振片位于磁场中被磁化，相当于条形磁铁，振针所在一 端为一个磁极，其磁性随时间做周期性变化。这样，振片的这一端受永久磁铁的作 用而上下运动，振片就这样做周期性振动，每次向下运动时带动振针在纸带上打下 一个点，打点的时间间隔就是振片的振动周期，等于交变电流的周期。交变电流的 频率为 时，它每隔 打一个点，则纸带上相邻两点间的时间间隔也 是 0 (2)电火花计时器的工作原理 电火花计时器中有将正弦式交变电流转化为脉冲式交变电流的装置，当计时 器接通 交流电源时，按下脉冲输出开关，计时器发出的脉冲电流经接正极 实验一 的放电针和接负极的纸盘轴产生火花放电，利用火花放电在纸带上打出点迹。当 电源的频率为 时，它每隔 打一个点。 2.实验步骤 (1)把电磁打点计时器固定在桌子上，纸带穿过限位孔，复写纸套在轴上压在 纸带的上面。 (2)把电磁打点计时器的两个接线柱接到6V低压交流电源上。 (3)打开电源开关，用手水平拉动纸带，纸带上就打下了许多小点。 (4)关闭电源，取下纸带。从能够看清的某个点数起，数一数纸带上共有多少 个小点。如果共有n个点，那么点与点的间隔数为(n一1)个，纸带的运动时间△t= 0.02(n-1)s。 (5)用刻度尺测量从开始计数的点到最后一点间的距离△x。 (6)利用公式。一兰计算纸带在这段时间内的平均速度。 (7)把纸带上打点清晰的某个点作为起始点0，以后 的点分别标上1,2,3,4,5，…作为计数点，如图所示，依 计计 次测出0到1、1到2、2到3、3到4、4到5…之间的距离 x1、x2、x3、x4、x5。 3.实验注意事项 (1)实验前，应将打点计时器固定好，以免拉动纸带时晃动，并要先轻轻试拉纸 带，应无明显的阻滞现象。 (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面；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)使用电磁打点计时器时，如打出的点较轻或是较浅，应调整振针距复写纸 的高度。 (6)打点计时器不能连续工作太长时间，打点完成后应立即关闭电源。先关闭 电源，再取下纸带。 普通高中学生实验指导·物理·必修第一册（通用版） (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测量点0之间的距离）。读数时应估读到毫 米的下一位。 (8)所打点间的时间△t不要搞错。第n个点与第1个点间的时间间隔为△t= (n-1)X0.02s,而非△t=n×0.02s。 4.实验数据处理 设计如下表格记录测量数据。 点数n 相邻两点间隔数(n一1) 运动时间t/s 位移x/m 平均速度/(m·s1) 位置 0 1 2 3 4 5 △x/m △t/s /(m·s-1) 5.实验结论 (1)把上表中算出的平均速度当作打下这些点的瞬时速度，抄入下表。 位置 1 3 4 5 t/s v/(m·s1) (2)以速度v为纵轴、时间t为横轴在坐标纸上建立直角坐标系，根据上表的数 据在坐标轴上描点，将这些点用平滑的曲线连接起来。 反思总结 实验误差分析 (1)纸带测量的位移有误差。 (2)电源频率不稳定，造成相邻两点的时间间隔不完全相等。 (3)纸带运动时打点不稳定引起测量误差。 实验一 (4)用作图法作出的v-t图像并不是一条直线。 (5)木板的粗糙程度并非完全相同，这样测量得到的加速度只能是所测量段的 平均加速度。 典型例题 例如图所示的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计时点未画出，各计数点到0点的距离如图所示。 求出1、2、3、4、5等计数点的瞬时速度并画出速度一时间图像。（结果保留两位小数） 30.1 -22.8 9.016. 3.9 012 3 5 单位：cm 【解析】由于相邻两计数点之间还有四个计时点未画出，所以图中相邻两计数 点的时间间隔T=0.1s,求出计数点0、2间的平均速度即可认为是计数点1的瞬 时速度，则有u一2X0.1 0.039 m/s=0.20m/s。 同理有 6=009-0.01 m/s=0.40m/s 2×0.1 4=0.161-0.039 m/s=0.61m/s 2×0.1 4=0.228-0.09 2×0.1 m/s=0.69m/s 65=0.301-0.161 2×0.1 m/s=0.70m/s 根据数据，建立直角坐标系，横坐标轴表示时间，纵坐标轴表示速度。先描点， 再连线，画出图像，特别要注意在连线时应该“拟合”坐标系中的点，如图所示。 l(×101m·s) 0123456t/(×10-1s) 【答案】0.20m/s,0.40m/s,0.61m/s,0.69m/s,0.70m/s。如解析图。 普通高中学生实验指导·物理·必修第一册（通用版） 巩固提升 1.（多选)使用打点计时器时应注意 ) A.无论使用电磁打点计时器还是电火花计时器，都应该把纸带穿过限位孔，再把 套在轴上的复写纸压在纸带上面 B.使用打点计时器时应先接通电源，再拉动纸带 C.使用打点计时器时，拉动纸带的方向应与限位孔平行 D.打点计时器只能连续工作很短时间，打点完成后要立即关闭电源 2.关于打点计时器打出的纸带，下列叙述错误的是 A.点迹均匀，说明纸带做匀速运动 B.点迹变稀，说明纸带做加速运动 C.点迹变密，说明纸带做加速运动 D.相邻两点间的时间间隔相等 3.（多选)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有() A.时间 B.位移 C.瞬时速度 D.平均速度 4.（多选)下面是练习使用电磁打点计时器的部分实验步骤，有错误的操作是() A.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 压在纸带下面 B.把打点计时器的两个接线柱分别接上导线，与6V以下低压交流电源相连 C.用手水平牵动纸带，然后打开电源开关 D.取下纸带，用刻度尺测量某两个计数点间的距离xo,计算时间间隔t,用公式 =计算出纸带在此过程中运动的平均速度 5.如图所示的是同一打点计时器打出的4条纸带，下列说法正确的是 甲 乙 ··· 丙 A.甲纸带的平均速度最大 B.乙纸带的平均速度最大 C.丙纸带的平均速度最大 D.丁纸带的平均速度最大 实验一 6.(多选)通过打点计时器得到的一条纸带上的点不均匀，下列判断中正确的是 A.点密集的地方物体的运动速度比较大 B.点密集的地方物体的运动速度比较小 C.点不均匀说明物体在做变速运动 D.点不均匀说明打点计时器有故障 7.如图所示为某物体的-t图像。关于该物体的运动情况，下列说法正确的是() /(m·8- 2 2 8 t/s A.0~4s物体做加速运动，末速度为12m/s B.4~6s物体做反向减速运动，末速度为0 C.6~7s物体做反向加速运动，末速度为4m/s D.7~8s物体做反向减速运动，末速度为0 8.某同学用手水平地拉动纸带通过打点计时器后，纸带上留下的点迹中有5个连 续清晰的点，所用电源频率为50Hz,测出从第1个点到第5个点的距离为 20cm,则 () A.纸带运动的平均速度为2.0m/s B.纸带运动的平均速度为2.5m/s C.纸带运动的平均速度为200m/s D.纸带运动的平均速度为250m/s 9.电火花计时器如图甲、乙所示，试回答下列问题。 墨粉 纸盘 下纸盘轴 压纸条纸盘轴弹性片 脉冲输出开关压纸条 弹性片 D 纸带2 四自守 纸带 导电片 纸带1 墨粉纸盘 电源插头 放电针 甲 普通高中学生实验指导·物理·必修第一册（通用版） (1)电源插头所接电源为 (2)当按下脉冲输出开关时，在 和 间产生火花放电，于是在纸 带 上打出一列点痕，当电源频率是50Hz时，它每隔 s打一 次点。 (3)墨粉纸盘夹在两条纸带之间，而不用一条纸带的原因是 ,电火花计时器与电磁打点计时器相比其优越性在于 10.如图所示的是用打点计时器测小车瞬时速度的实验时得到的一条纸带的一部 分，从B点开始根据打点的先后顺序依次标为0、1、2、3、4、5、6…，电源频率为 50Hz,现在量得0、1间的距离x1=5.18cm,1、2间的距离x2=4.40cm,2、3间 的距离x3=3.62cm,3、4间的距离x4=2.78cm,4、5间的距离x,=2.00cm,5、6间 的距离x6=1.22cm。 98765432 (1)根据上面的数据，计算打点计时器在1、2、3、4、5点时的速度并填在下表中。 位置 1 2 3 5 v/(m·s-1) (2)根据(1)中表格的数据，在图中画出小车的速度一时间图像，并说明小车速 度变化的特点。 4/m·8) 2 00.040.080.120.160.20s ⊙ 实验一 11.用气垫导轨和数字计时器能够更精确地测量物体的瞬时速度，如图所示，滑块 在牵引力的作用下先后通过两个光电门，配套的数字毫秒计记录了遮光板通过 第一个光电门的时间为△t1=0.29s,通过第二个光电门的时间为△t2=0.11s。 已知遮光板的宽度为3.0cm,试分别求出滑块通过第一个光电门和第二个光电 门时的速度大小。 数字计时器 光电门2回光电门1 气垫导轨 滑块遮光板 连气源 重物 刻度尺 相关阅读 计时器的演变 日晷 漏刻 机械钟 远古的人类通过对日月星辰和一年四季变化的观察，逐渐产生了时间的概 念。既然时间是一种持续、有序的运动过程，那么，我们就可以用测量物体的运 动变化过程来代表测量时间的标准。而这样的标准运动过程，要求尽量均匀和 持续不断，如均匀滴下的水滴、缓慢燃烧的香、原子的振荡等，都可以作为计量 时间的标准运动。 9 普通高中学生实验指导·物理·必修第一册（通用版） 光影计时 测量物体日影在一天当中的变化，是最早为人们所掌握的计时方法。作为 地球自转的反映，太阳日复一日地东升西落，由此产生了地球上物体的影子的 移动。早期人类通过观察这个自然现象产生了时间观念，并逐渐学会了计算时 间。物体日影的变化移动过程在这里被人们用作计量时间的标准运动。简单 地说，即通过观察物体影子长短或者移动过程来计算时间，这就是光影计时原 理。根据这一原理设计出的计时工具一般通称为太阳钟，主要包括圭表和日 晷等。 漏刻计时 圭表、日晷等太阳钟操作简易，原理也不复杂，但是其最大弱点就是在阴雨 天气或者没有太阳的黑夜是无法使用的，于是人们开始寻找其他的计时方法。 计时水钟应运而生，这就是漏刻。漏，是指漏壶；刻，是指刻箭；箭，则是指标有 时间刻度的标尺。漏刻是以壶盛水，利用水均衡滴漏原理，通过观测壶中刻箭 上显示的数据来计算时间。最常用的漏刻就是“一刻之漏”，即每漏完一壶水的 时间为一刻（古刻，一昼夜为100刻，一古刻合今14.4min。现代的一刻等于 15min,一昼夜为96刻)。 机械钟表 简单来说机械钟表就是利用弹簧（发条）恢复形变所放出的能量或利用重 物下降的重力作能源，以机械振动系统为时间基准，实现计量时间和时段的机 械机构。近代欧洲，随着经典物理学的发展，人们发现了物体的机械振动具有 固定的周期。通过测量和计算物体机械振动的固有周期来计量时间，这就是机 械钟表计时原理。伽利略发现单摆的等时性后，惠更斯以重锤提供动力，设计 了人类历史上第一架摆钟。 计时工具的演变，是人类社会科技水平发展的一个缩影。时至今日，人们 已经可以通过测量原子的周期来计时。但是任何先进的计时工具都只是记录 时间的流逝，让我们珍惜时间，珍惜我们度过的每一天。参考答案 参考答案 实验一练习使用打点计时器测量纸带的平均速度和瞬时速度 基础知识 2.220交流50Hz0.02s电火花计时器 实验过程 1.(1)交变周期性50H:0.02s(或0s) 0.02s (2)220V50Hz0.02s 巩固提升 1,BCD解析：电磁打点计时器需要复写纸，电火花计时器不需要复写纸，选项A错误；实验时 应先接通电源，再拉动纸带，可在纸带上打出更多的点，纸带的利用率更高，选项B正确；拉动 纸带的方向与限位孔平行可减小摩擦，选项C正确；打点计时器不能长时间连续工作，选项D 正确。选项B、C、D正确。 2.C 3.AB解析：打点计时器是每隔0.02s打下一个点，所以通过数点就知道时间间隔，故选项A正 确；位移利用刻度尺直接测量两点之间的距离即可得出，故选项B正确；瞬时速度需要通过匀变 速直线运动的推论求出，故选项C错误；平均速度的求解需要运用物理公式，故选项D错误。 4.AC解析：复写纸应套在纸带上面，选项A错误；电磁打点计时器使用4~6V的低压交流 电源，选项B正确；应该先接通电源，再牵动纸带，选项C错误；选项D是测平均速度的一种 方法，选项D正确。 5.D解析：纸带甲、乙、丙位移相同，甲、乙有4个时间间隔，丙有5个时间间隔，故甲、乙平均 速度较大；甲、乙与丁相比，同为4格，丁的位移大，而时间相同，故丁的平均速度大于甲、乙的 平均速度，故丁的平均速度最大。 6.BC 7.C解析：在0~4s内，物体沿正方向做匀加速直线运动，末速度为8m/s,故选项A错误；在 4~6s内，物体沿正方向做匀减速直线运动，末速度为0，故选项B错误；6~7s物体沿反方 向做匀加速直线运动，末速度为4m/s,故选项C正确；7~8s物体沿反方向做匀加速直线运 动，末速度为0，故选项D错误。 8.B解析：从打第1个点到第5个点的时间间隔为t=0.02X4s=0.08s,0=三=20X10 t0.02X4m/s= 2.50m/s,故选项B正确。通常说每隔4个点取1个计数点和每5个点取1个计数点，其相邻计数 点间的时间间隔都为5X0.02s=0.1s。 9.(1)220V交流电源 (2)放电针墨粉纸盘10.02 (3)墨粉纸盘可很好地转动，均匀地被使用纸带运动阻力很小 普通高中学生实验指导·物理·必修第一册（通用版） 10.(1)数据如下表： 位置 1 2 3 4 5 /(m·s1)1.201.000.800.600.40 (2)小车的速度一时间图像如图所示。从图像中可以看出，小车的速度均匀变小。 4/(m·s) 1.8 1.2 0.6 00.040.080.120.160.20/s 解析：计算速度时要特别注意长度单位的换算。作图像时，要使尽可能多的点落在直线上， 不在直线上的点要均匀分布在直线两侧。 11.0.10m/s0.27m/s 解析：由于遮光板通过光电门的时间很短，可以认为滑块在这很短的时间内做匀速运动，也 就是说用这段时间内的平均速度代表瞬时速度。 由5-号得到-8号n/s0,10m/5-8:n/s0.27/. 实验二探究小车速度随时间变化的规律 基础知识 1.220V交流0.02s 2.密集减小误差0.1s 3.2十x 2T 4.(2)v-t图像(3)加速度 反思总结 2.根据纸带数据分析运动性质，通常是先由，=工求出各计数点的瞬时速 2T 度，即一段时间的平均速度表示中间时刻的瞬时速度，再作-t图像分析。 巩固提升 1.ACD解析：利用点迹清晰、点与点间隔适当的那部分纸带进行测量、计算可减小测量误差。 用光滑程度、平整程度相同的长木板做实验可以减小因速度变化不均匀带来的误差。故正确 选项是A、C、D。 点评：实验误差来源的分析是探究实验中的重要内容，也是改进实验乃至设计实验的一个不 可缺少的部分，因此，我们在今后的各种实验中要重视误差的分析。 72