第1章 第4节 实验：用打点计时器测量小车的速度-【优学精讲】2024-2025学年高中物理必修第一册教用Word(教科版)

第4节　实验：用打点计时器测量小车的速度 一、实验目的 1．学会用打点计时器测量物体的速度。 2．能利用v－t图像分析实验数据，描述物体的运动。 二、实验设计 使小车拉动纸带运动，用打点计时器按相同的时间间隔在纸带上打出一系列点迹，这些点迹对应着各时刻小车的位置。通过测量各个时刻小车的位置，算出相邻时刻间的位移，我们就可以算出小车的速度了。 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。 四、实验操作 1．安装实验器材。注意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，如图甲所示。 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。 小组中的每一位同学都亲自动手拉动小车运动，并打出一条比较清晰的纸带，如图乙所示。 五、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、EF……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 xEF … 相邻计时点 间的平均速度v/(m·s－1) OA AB BC CD DE EF … 六、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)，在图丙所示的坐标纸上绘制v－t 图像。 七、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，再拉动细绳。 3．手拉动细绳时速度应适当快一些，以防点迹太密集。 4．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。 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．作图时，描点、连线存在偶然误差。为减小误差，应选取合适的坐标单位，利用坐标纸作图。 题型一　教材原型实验 角度1　实验操作 　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频率为50 Hz 的低压________(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，纸带上打下一系列点。 F．利用公式＝计算纸带运动的平均速度。 实验步骤的合理顺序是______________。 [解析]　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。 [答案]　交流　限位孔　复写纸　(n－1)×0.02 s BAEDCF 角度2　数据处理 　图甲是一条打点计时器打出的纸带，电源频率为50 Hz，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的距离如图甲所示。 (1)求出2、4计数点的瞬时速度并填入表格。 项目 v1 v2 v3 v4 v5 数值/ (m·s－1) 0.20 0.61 0.70 (2)在图乙直角坐标系中画出运动物体的速度—时间图像。 [解析]　(1)由于相邻两计数点之间还有四个点未画出，所以图中相邻两个计数点之间的时间间隔为0.1 s，则v2＝ m/s＝0.40 m/s，v4＝ m/s＝0.69 m/s。 (2)根据(1)表格中数据在直角坐标系中描点，然后连线得到v－t 图像如图所示。 [答案]　(1)0.40　0.69　(2)见解析图 题型二　实验拓展创新 　(2023·上海高一期中)如图所示，频闪光源每秒闪烁30次，小球从A点运动到B点所经历的时间是________s，如果A到B的距离是4 cm，则A到B的过程中小球的平均速度为________m/s。 [解析]　频闪光源每秒闪烁30次，频闪的时间间隔为T＝＝ s 小球从A点运动到B点所经历的时间是 Δt＝4T＝4× s＝ s A到B的过程中小球的平均速度为 v＝＝＝0.3 m/s。 [答案]　　0.3 　(2023·辽宁高一校联考期中)光电计时器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滑块的速度，图中MN是水平桌面，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。实验时，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1.0×10－2 s和4.0×10－3 s，滑块的宽度d＝1.010 cm。 (1)滑块通过光电门1时的速度v1＝________ m/s，通过光电门2时的速度v2＝________m/s。(结果保留2位有效数字) (2)要使瞬时速度的测量值更接近于真实值，可将滑块的宽度________(选填“增加”或“减小”)一些。 [解析]　(1)滑块通过光电门1时的速度v1＝＝ m/s≈1.0 m/s 滑块通过光电门2时的速度v2＝＝ m/s≈2.5 m/s。　 (2)由极限思想可知，要使平均速度更接近于瞬时速度，滑块的宽度应减小一些。 [答案]　(1)1.0　2.5　(2)减小 1．打点计时器虽说是一种计时仪器，但利用它打出的纸带可以判断物体的运动情况。图示为某次实验中打出的甲、乙、丙、丁四条纸带(所打的第一个点均在左边)，其中甲纸带上相邻两点间的距离均为x1，乙纸带上相邻两点间的距离均为x2，则表示纸带做匀速运动的有________，且________的速度大；表示纸带做变速运动的有________，丙纸带做________(选填“加速”“减速”或“匀速”)运动。 解析：甲、乙两纸带上的点分布比较均匀，甲、乙纸带做匀速运动；由题图可知x2>x1说明相同时间内，乙纸带通过的距离较大，则乙的速度大。由题图可知丙、丁纸带上的点分布不均匀，丙、丁纸带做变速运动；丙纸带上的点越来越稀疏，说明在相同时间内，丙通过的距离越来越大，则丙纸带做加速运动。 答案：甲、乙　乙　丙、丁　加速 2．(2023·陕西咸阳阶段练)打点计时器是高中物理实验中常用的实验器材，请你完成下列有关问题。 (1)如图A、B是两种打点计时器的图片，其中A是________计时器。 (2)打点计时器使用的电源为________(选填“交流”或“直流”)电源。 (3)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，后让纸带运动 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 (4)一小车在重物牵引下拖着穿过打点计时器的纸带沿平直轨道加速运动。打出的纸带的一段如图所示，相邻两个计数点之间还有4个点未画出。已知打点计时器使用的交流电频率为50 Hz。 ①小车连接在纸带的________(选填“左端”或“右端”)。 ②图中标出的相邻两计数点的时间间隔T＝________s。 ③计算在打下B点时小车的瞬时速度为vB＝__________m/s(速度计算结果保留3位有效数字)。 解析：(1)由题图可知A是电火花计时器。 (2)打点计时器使用的电源均为交流电源。 (3)为了打点稳定并且有效利用纸带，在实验时应先接通电源，打点稳定后再让纸带运动。 (4)①纸带做加速运动，在相等时间内通过的位移逐渐增大，故小车连接在纸带的左端。 ②打点计时器的工作频率为50 Hz，每隔t＝＝ s＝0.02 s打一次点，每相邻两计数点之间还有4个点未画出，会有5个时间间隔，故相邻两计数点的时间间隔为T＝0.02×5 s＝0.1 s。 ③打下B点时小车的瞬时速度为vB＝＝ m/s≈0.376 m/s。 答案：(1)电火花　(2)交流　(3)A　(4)①左端　②0.1　③0.376 3．在测定速度的实验中，使用打点计时器(电源的频率为50 Hz)测小车的速度，实验得到的一条纸带如图所示，0、1、2、3、4是选用的计数点，每相邻两计数点间还有3个打出的点没有在图上标出。图中还画出了实验时将毫米刻度尺靠在纸带上进行测量的情况，读出图中所给的测量点的读数分别是________、________、________和________。1、3两点间的平均速度是________m/s，1、4两点间的平均速度是________m/s，2点的速度更接近于________m/s。 解析：由毫米刻度尺可读出0、1、3、4点的读数分别是10.00 cm、12.60 cm、22.60 cm、30.00 cm。由题意知相邻计数点间的时间间隔Δt＝4×0.02 s＝0.08 s，由读数可得1、3两点间和1、4两点间的位移大小分别是Δx1＝22.60 cm－12.60 cm＝10.00 cm，Δx2＝30.00 cm－12.60 cm＝17.40 cm，则1、3两点间和1、4两点间的平均速度分别是1＝＝＝0.625 m/s，2＝＝＝0.725 m/s，1、3两点更接近于2点，故2点的瞬时速度更接近于1、3两点间的平均速度0.625 m/s。 答案：10.00 cm　12.60 cm　22.60 cm　30.00 cm 0．625　0.725　0.625 学科网（北京）股份有限公司 $