第4節(jié)實驗：用打點計時器測量小車的速度一、本版教材實驗理清楚

實驗目的1．了解打點計時器的結構、工作原理及使用方法。2．學會用打點計時器測量小車的速度。3．能利用實驗數(shù)據(jù)描繪小車的v-t圖像，描述分析小車的運動。

實驗原理1．兩種打點計時器的對比

電磁打點計時器電火花打點計時器結構圖示工作電壓約為6V交流電220V交流電打點方式振針周期性上、下振動周期性產(chǎn)生電火花打點周期0.02s(使用50Hz交流電)記錄信息運動物體的位移大小、時間

實驗器材電磁打點計時器(或電火花打點計時器)、低壓交流電源(電火花計時器使用220V交流電源)、復寫紙(或墨粉紙盤)、導線若干、刻度尺、紙帶、坐標紙。

實驗步驟1．了解打點計時器的構造，然后把它固定好。2．把電磁打點計時器的兩個接線柱用導線與約為6V的低壓交流電源的接線柱相連接，讓紙帶穿過兩個限位孔，壓在復寫紙的下面(或把電火花打點計時器與220V交流電源連接，把紙帶穿好，壓在墨粉紙盤下面)。3．接通電源開關，用手水平地拉動紙帶，紙帶上就打出一行小點，隨后立即關閉電源。4．重復步驟2、3，獲得3～5條紙帶。5．選擇一條點跡清晰便于分析的紙帶，往后數(shù)n個點，n個點之間的間隔數(shù)為n－1，紙帶從打第1個點到打第n個點的運動時間為Δt＝0.02(n－1)s。6．用刻度尺測量出第1個點到第n個點間的位移Δx。記錄項實驗次數(shù)點數(shù)n點劃分出的間隔數(shù)n－1運動時間Δt/s位移Δx/m平均速度v/(m·s－1)1

2

3．繪制v-t圖像(1)以速度v為縱軸，時間t為橫軸建立直角坐標系。(2)根據(jù)不同時刻的瞬時速度值，在坐標系中描點。(3)用平滑曲線把這些點連接起來，即得到v-t圖像，如圖所示。

誤差分析1．利用平均速度來代替運動物體在某計數(shù)點的瞬時速度會帶來系統(tǒng)誤差。為減小誤差，應取以計數(shù)點為中心的較小位移Δx來求平均速度。2．分段測量計數(shù)點間的位移會帶來誤差。減小此誤差的方法是一次測量完成，即一次測出各計數(shù)點到起始計數(shù)點O的距離，再分別計算出各計數(shù)點間的位移。3．作圖時，描點、連線存在偶然誤差，為減小誤差，應選取合適的坐標單位，利用坐標紙作圖。二、他版教材實驗多融通(一)魯科版教材實驗方案

[差異解讀]1．實驗原理的不同

光電門A端安裝發(fā)光裝置，B端安裝接收裝置并與光電計時器連接。一旦光線被遮光板C遮擋，遮擋的時間便能被光電計時器測出。由于遮光板寬度較小，遮光的時間極短，根據(jù)遮光板寬度和測得的遮光時間，求出遮光板經(jīng)過光電門這一極短時間內的平均速度大小，可近似認為這就是遮光板運動到光電門時的瞬時速率。2．實施器材的改進(1)用氣墊導軌替代長木板。(2)用光電計時器替代打點計時器。3．實驗誤差的縮小(1)光電計時器計時準確。(2)選用遮光板寬度較小，Δt時間內的平均速度更接近遮光板運動到光電門時的瞬時速度。(二)粵教版教材實驗方案

1．測量沿斜面運動小車的瞬時速度。2．數(shù)字計時器[差異解讀]1．實驗原理的不同

數(shù)字計時器測速度的原理：當寬度一定的物體通過光電門時，光線被遮擋，數(shù)字計時器開始計時；當物體離開光電門時，數(shù)字計時器停止計時，這樣就可以記錄物體遮擋一個光電門光線的短暫時間，數(shù)字計時器還可以記錄物體經(jīng)過兩個光電門之間的時間以及測量物體運動的瞬時速度和平均速度。2．實驗器材的改進(1)測量沿斜面運動小車的瞬時速度時，小車沿斜面加速下滑的動力是小車重力沿斜面向下的分力。(2)數(shù)字計時器既可以記錄物體經(jīng)過光電門的時間，也可以記錄物體經(jīng)過兩光電門之間的時間。[典例]

(1)在做用打點計時器測速度的實驗時，要用到打點計時器，打點計時器是一種計時儀器，其電源頻率為50Hz，常用的“電磁打點計時器”使用的電源是

V的

(選填“直流電”或“交流電”)，它每隔

s打一個點。(2)接通打點計時器電源和讓紙帶開始運動，這兩個操作之間的時間順序關系是

。A．先接通電源，再讓紙帶運動B．先讓紙帶運動，再接通電源C．讓紙帶運動的同時接通電源D．先讓紙帶運動或先接通電源都可以實驗原理與操作(3)用打點計時器測定物體的速度，當電源頻率低于50Hz時，如果仍按50Hz的頻率計算，則測出的速度數(shù)值將比物體的真實數(shù)值________(選填“偏大”或“偏小”)。[答案]

(1)6交流電0.02

(2)A

(3)偏大實驗操作的三點注意(1)電磁打點計時器需要約為6V的低壓交流電源，電火花打點計時器需要220V的交流電源。(2)使用打點計時器時要注意先接通電源，待打點穩(wěn)定后再釋放紙帶。(3)選擇紙帶時要注意選取“點跡清晰，間隔適量”的部分進行測量。

[典例]如圖所示是一條利用電源頻率為50Hz工作的打點計時器打出的紙帶，0、1、2、3、4、5、6是七個計數(shù)點，每相鄰兩個計數(shù)點之間還有四個計時點未畫出，測得各計數(shù)點到0點的距離已在圖上標出，求計數(shù)點1、2、3、4、5的瞬時速度并畫出v-t圖像。數(shù)據(jù)處理和誤差分析[解析]計數(shù)點0和2間的平均速度約等于計數(shù)點1的瞬時速度，同理2、3、4、5點的瞬時速度也可求出。注意相鄰計數(shù)點間的時間間隔T＝0.1s。各計數(shù)點的瞬時速度分別為：v1＝0.195m/s，v2＝0.40m/s，v3＝0.61m/s，v4＝0.69m/s，v5＝0.70m/s，再以0點為坐標原點建立直角坐標系，橫坐標表示時間，縱坐標表示速度，在直角坐標系中描點，然后連線得到v-t圖像如圖所示。[答案]見解析1.(實驗器材的創(chuàng)新)用氣墊導軌和數(shù)字計時器能更精確地測量物體的瞬時速度。如圖所示，滑塊在牽引力作用下先后通過兩個光電門，配套的數(shù)字計時器記錄了遮光條通過第一個光電門的時間為Δt1＝0.29s，通過第二個光電門的時間為Δt2＝0.11s，已知遮光條的寬度為3.0cm，則滑塊通過第一個光電門的速度為

____m/s，通過第二個光電門的速度為

m/s。(結果均保留兩位有效數(shù)字)創(chuàng)新考查角度和創(chuàng)新思維答案：0.10

0.272．(實驗器材的創(chuàng)新)讓小球從斜面的頂端滾下，如圖所示是用閃

光照相機拍攝的小球在斜面上運動的一段過程，已知閃頻為

10Hz，且O點是0.4s時小球所處的位置，試根據(jù)此圖估算： (1)小球從O點到B點的平均速度大小； (2)小球在A點和B點的瞬時速度大小。答案：(1)0.8m/s

(2)0.8m/s

1.0m/s1．(多選)關于打點計時器的原理和使用方法，下列說法中正確的是

(

)A．打點計時器應接交流電源，交流電源頻率通常為50HzB．如果紙帶上相鄰兩個計數(shù)點之間有四個點，則相鄰兩個計數(shù)點間的時間間隔是0.08sC．如果打點計時器在紙帶上打下的點先密集后稀疏，則說明紙帶的速度由小變大D．電磁打點計時器接在220V交流電源上，電火花打點計時器接在6V交流電源上解析：打點計時器使用交流電，電磁打點計時器使用6V的低壓交流電源；電火花打點計時器使用220V交流電源，相鄰兩計數(shù)點之間有四個點，則時間間隔是0.1s。答案：AC

2．如圖所示是某同學在做測量紙帶的平均速度和瞬時速度實驗中獲得的一條紙帶。(1)已知打點計時器使用電源的頻率為50Hz，則紙帶上打相鄰兩點的時間間隔為

。(2)A、B、C、D是紙帶上的四個計數(shù)點，每兩個相鄰計數(shù)點間有四個點沒有畫出。從圖中讀出A、B兩點間距x＝

cm，C點對應的速度是

m/s(結果保留三位有效數(shù)字)。答案：(1)0.02s

(2)0.70(0.68～0.72均可)

0.1003．用打點計時器可測紙帶運動的時間和位移。下面是沒有按操作順序寫的不完整的實驗步驟，按照你對實驗的理解，在各步驟空白處填上適當?shù)膬热荩缓蟀磳嶋H操作的合理順序，將各步驟的字母代號按順序寫在空白處。A．在電磁打點計時器的兩接線柱上分別接上導線，導線的另一端分別接在低壓

(選填“交流”或“直流”)電源的兩個接線柱上。B．把電磁打點計時器固定好，讓紙帶穿過

，并壓在

下面。C．用刻度尺測量從計時開始的打點到最后一個打點間的距離Δx。解析：A項中電磁打點計時器應使用低壓交流電源；B項中應將紙帶穿過電磁打點計時器的限位孔，并壓在復寫紙的下面；D項中紙帶上記錄的時間Δt＝(n－1)×0.02s。合理的實驗步驟為BAEDCF。答案：交流限位孔復寫紙(n－1)×0.02s

BAEDCF4．光電計時器是一種研究物體運動情況的常用計時儀器，其結構如圖甲所示，a、b分別是光電門的激光發(fā)射和接收裝置，當有物體從a、b間通過時，光電計時器就可以顯示物體的擋光時間。現(xiàn)利用圖乙所示裝置測量滑塊的速度，圖中MN是水平桌面，Q是木板與桌面的接觸點，1和2是固定在木板上適當位置的兩個光電門，與之連接的兩個光電計時器沒有畫出。實驗時，讓滑塊從木板的頂端滑下，光電門1、2各自連接的光電計時器顯示的擋光時間分別為1.0×10－2s和4.0×10－3s?；瑝K的寬度d＝1.010cm。(1)滑塊通過光電門1時的速度v1＝

m/s，滑塊通過光電門2時的速度v2＝

m/s(結果保留兩位有效數(shù)字)。(2)由此測得的瞬時速度v1和v2只是一個近似值，它們實質上是滑塊通過光電門1和2時的

，要使瞬時速度的測量值更接近于真實值，可將滑塊的寬度

一些。答案：(1)1.0

2.5

(2)平均速度減小5．(1)電磁打點計時器是一種使用交流電源的計時儀器，根據(jù)打點計時器打出的紙帶，我們可以從紙帶上直接得到的物理量是

(

)A．時間間隔

B．位移大小C．平均速度

D．瞬時速度(2)關于打點計時器的使用說法正確的是

(

)A．電磁打點計時器使用的是10V以下的直流電源B．在測量物體速度時，先讓物體運動，后接通打點計時器的電源

C．使用的電源頻率越高，打點的時間間隔就越小D．紙帶上打的點越密，說明物體運動的越快(3)在“測量紙帶的平均速度和瞬時速度”的實驗中，某同學選出了一條清晰的紙帶，如圖所示，A、B、C、D、E、