高中物理第一章运动的描述13运动快慢的描述速度14实验用打点计时器测量速度教案新人教版必修1.docx

高中物理第一章运动的描述13运动快慢的描述速度14实验用打点计时器测量速度教案新人教版必修1.docx

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高中物理第一章运动的描述13运动快慢的描述速度14实验用打点计时器测量速度教案新人教版必修1

实验：

用打点计时器测量速度

一、教学目标

1．知识目标

（1）了解打点计时器的计时原理，理解纸带中包含的物体运动的信息（时间、位移）．

（2）会安装并使用打点计时器，理解根据纸带测量速度的原理并测量平均速度和瞬时速度．

（3）明确速度—时间图象的物理意义，描点法画图象的方法，并画出该实验中的速度—时间图象，能从图象中获取有用的信息．

2．能力目标

（1）通过学生自己看打点计时器的说明书，培养学生独立学习的能力．

（2）通过实验得出物体的运动信息，用数学方法表述出来．培养学生获取信息、处理信息的能力，体会处理

问题的方法，领悟如何间接测一些不能直接测量的物理量的方法．

（3）通过画速度—时间图象培养学生用图象法处理数据的能力，体验数学工具在物理发展中的作用．

（4）体验实验中理性思维的重要，既要动手，更要动脑．

3．情感目标

（1）感受打点计时器的巧妙设计思路，体会物理原理在解决实际问题中的指导作用，增强将物理知识应用于生活实际的意识．

（2）经历实验过程，体验科学实验过程的艰辛与喜悦，并乐于探索自然界的奥妙．

（3）体验用图象的方法描述物理现象的乐趣．培养学生用数学方法处理物理问题的意识．培养学生敢于创新和实事求是的科学态度和科学精神．

（4）培养学生合作与交流的精神，有将自己的见解与他人交流的愿望，养成在合作中既坚持原则又尊重他人的习惯．

二、教学要点

1．学会使用打点计时器．

2．能根据纸带计算物体运动的瞬时速度．

3．会用描点法描绘物体的速度—时间图象，并从中获取物理信息．

三、教学难点

处理纸带的方法，用描点法画图象的能力．

四、教学流程

教学流程

教师活动

学生活动

设计意图

环节一：

课程导入

测定物体的速度并不是一件很容易的事情，特别是当物体的运动速度在不停变化时，测定某时刻的速度更是比较困难的，如上下飞舞的蝴蝶，要确定它某一时刻的速度是很困难的．我们现在只研究直线运动的速度的测量问题．

当物体沿直线运动时，其位移在不断变化，要研究物体的运动，我们首先要准确记录物体运动的信息．直接测量物体运动的速度在技术上是比较复杂的，我们在测量时可以尝试通过测量物体运动的时间和位移，再经过计算或作图来判断物体的运动情况．在实验中，我们可以使用秒表和尺子，直接测量物体运动的时间和位移，但当物体运动速度太快时，采用这种方法的测量误差较大．打点计时器就是一种记录物体运动位移和时间信息的仪器，我们可以通过测量位移和时间来计算物体运动的速度以及速度的变化快慢．

思考：

中国作为世界四大文明古国之一，发明计时器的历史很悠久。

从古至今你知道哪些计时器？

回顾思考

动手动脑

通过这样的设计，使学生复习旧知识，引入新知识，从而激发他们的探索精神

环节二：

讲授新课

一、电磁打点计时器

当给电磁打点计时器通电后，线圈产生磁场放在线圈中的振片被磁化，由于线圈通的是交变电流，电流方向不断变化，振片就会因反复地受到向上、向下的吸引而不停地振动起来．当交变电流的频率是50Hz时，电磁打点计时器的振针每0．02s打下一个点．

★电磁打点计时器的使用

用限位孔限定纸带，复写纸压在纸带的上面．通电，振片带动振针打点．若纸带运动，其上就会留下一行小点．

如由物体带动纸带运动，物体的位移就对应为纸带上相应点间的距离，运动时间可由该距离上点痕的数目计算．

二、电火花打点计时器

★电火花计时器的使用

使用时，墨粉纸盘套在纸盘轴上，把纸带穿过限位孔．当接通电源、按下脉冲输出开关时，计时器发出的脉冲电流经放电针、墨粉纸盘到纸盘轴，产生火花放电，于是在运动的纸带上就打出一行点迹．

这种计时器工作时，纸带运动时受到的阻力比较小，实验误差也比较小．

思考：

在使用火花打点计时器时，为什么要用上下两条纸带？

双层纸上下夹着墨粉纸盘增大摩擦,使纸带运动带动纸盘转动，充份利用各处墨粉,两条纸带中，上边的是记录实验结果的，下边的是起辅助作用的。

★两种打点计时器的共同点与不同点

相同点：

打点频率相同

不同点：

A．打点方式不同

电磁打点计时器：

是振针上下振动，通过复写纸在纸带上打点；

电火花计时器：

是电火花将墨粉蒸发到纸带上打点纸带运动受阻较小，实验误差较小

B．电源电压不同

电磁打点计时器：

6V以下交流电

电火花计时器：

220V交流电

C．振针打点时与纸带接触，会对纸带产生阻碍作用；而火花放电基本不会阻碍纸带的运动

★特别提醒

打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器，它每隔0．02s打一个点（由于电源频率是50Hz）。

纸带上的点表示了相应运动物体在不同时刻的位置，研究纸带上所打点的间隔就可以了解物体运动的情况。

三、练习使用打点计时器

1．操作步骤

（1）固定计时器

（2）穿纸带

（3）启动电源，拉纸带，随后立即关电源

2．纸带的简单处理——测平均速度

（1）需测量的量：

Δx、Δt

（2）关系式：

思考：

如何测出E点的瞬时速度？

D、F两点离E越近，算出的平均速度越接近E点的瞬时速度。

然而D、F两点过小则测量误差增大。

应该根据实际情况选取这两个点。

【例题1】打点计时器所用电源的频率为50Hz，某次实验中得到的一条纸带，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．（保留两位有效数字）

答案：

0．35；0．42；0．35

★计时点与计数点

特别提醒：

1．测平均速度的方法

在纸带上选取两个点，测出位移Δx和时间Δt，则

是纸带在这段时间内的平均速度．

2．测瞬时速度的方法

如果不要求很精确，用

求出的平均速度可以代表Δx范围内某点的瞬时速度，并且Δx越小，Δt越短，平均

速度越接近于某点的瞬时速度．如图所示的纸带上E点的瞬时速度可用D、F间的平均速

度表示．

四、数据处理

1．打点计时器打点的周期为T，则A、B、C、D……各点的瞬时速度分别为：

vA＝

、vB＝

、vC＝

，vD＝

……

把数据填入下表，根据数据判断纸带是否做匀速运动。

2．利用v-t

图象分析物体的运动：

①v-t图象：

用横轴表示时间t，纵轴表示速度v，建立直角坐标系。

根据测量的数据在坐标系中描点，然后用平滑的曲线把这些点连接起来，即得到如图所示的v-t图象。

②v-t图象的意义。

v-t图象非常直观地反映了速度随时间变化的情况，它并不是物体运动的轨迹。

五、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．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。

6．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。

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O之间的距离）。

读数时应估读到毫米的下一位。

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误差。

为减小此种误差

，应取以计数点为中心的较小位移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。

几个计数点间的时间间隔为Δt＝（n－1）×0．02s，而非Δt＝n×0．02s。

4．作v-t图象不用坐标纸、尺子，坐标单位选定的不合理，作图粗糙带来误差。

七、其它常用测速度的方法

1．借助传感器用计算机测速度

图是一种运动传感器的原理，这个系统由A、B两个小盒子组成，将红外线、超声波发射器A盒固定在小车上，接收传感器B盒固定在某一位置并调整其高度与传感器A等高。

小车上A盒发射器对着接收器B，并处在同一直线上。

将接收传感器B探测到的

红外线、超声波到达的时间差等数

据输入计算机，利用专门软件可以分析小车的位移与时间的关系。

将这些位移和对应的时间差再利用计算机进行处理，就可以分析小车的速度随时间的变化。

根据小车的两个位置变化可求得Δx，两位置的相间差为Δt，则小车速度v＝

。

2．利用光电

门测瞬时速度

实验装置如图所示，使一辆小车从一端垫高的木板上滑下，木板旁装有光电门，其中A管发出光线，B管接收光线。

当固定在车上的遮光板通过光电门时，光线被阻挡，记录仪上可以直接读出光线被阻挡的时间。

这段时间就是遮光板通过光电门的时间。

根据遮光板的宽度Δx和测出的时间Δt，就可以算出遮光板通过光电门的平均速度（

＝

）。

由于遮光板的宽度Δx很小，可以认为这个平均速度就是小车通过光电门的瞬时速度。

3．利用频闪照相分析计算物体的速度

频闪照相法是一种利用照相技术，每间隔一定时间曝光，从而形成间隔相同时间的影像的方法。

在频闪照相中会用到频闪灯，它每隔相等时间闪光一次，例如每隔0．1s闪光一次，即每秒闪光10次。

当物体运动时，利用频闪灯照明，照相机可以拍摄

出该物体每隔相等时间所到达的位置。

通过这种方法拍摄的照片称为频闪照片。

图中是采用每秒闪光10次拍摄的小球沿斜面滚下的频闪照片，照片中每两个相邻小球的影像间隔的时间就是0．1s，这样便记录了物体运动的时间

。

物体运动的位移则可以用尺子量出。

与打点计时器记录的信息相比，频闪灯的闪光频率相当于打点计时器交变电源的频率，而相同时间间隔出现的影像则相当于打点计时器打出的点迹。

因此，运动物体的频闪照片既记录了物体运动的时间信息，又记录了物体运动的位移信息。

至于求平均速度和瞬时速度的方法，两者都是一样的。

阅读课本

思考作答

让学生初步了解研究中方法的创新、思维方式的创新的精神。

培养学生阅读观察、

信息处理能力，

巩固概念。

掌握方法。

开阔学生的思维

环节三：

课堂小结

师生共同回顾本节内容。

本

节主要学习了

1．介绍了电磁打点计时器和电火花打点计时器的结构、打点原理；使用时要注意的问题以及两者计时器的异同

2．介绍了打点计时器的使用步骤，测量平均速度和瞬时速度的方法。

3．介绍了其它常用测量速度的方法：

传感器；光电门和频闪照相。

呼应

突出重难点，为下一节课教学做铺垫。

环节四：

课堂练习

1．当纸带与运动物体相连接时，打点计时器在纸带上打出点痕，下列关于纸带上点痕的说法中正确的是（）

A．点痕记录了物体运动的时间

B

．点痕记录了物体在不同时刻的位置和某段时间内的位移

C．点痕在纸带上的分布情况反映了物体的质量和形状

D．纸带上点痕的分布情况反映了物体的运动情况

【答案】ABD

【解析】点痕可以记录物体的运动时间，相邻两点之间的时间间隔为0．02s，只要在纸带上数出间隔数n，就可以求出运动的时间间隔n×0．02s，所以A正确；物体的始末位置可以用纸带上对应的点来表示，可以得出相应时刻的位置，用刻度尺测量始末位置对应点的距离，可以得出物体的位移，所以B正确；纸带上点痕的疏密程度可以表示相应时间内通过的距离，所以可以表示物体运动的快慢，因此D正确；点痕可以反映物体的运动情况，但是不能反映物体的质量和形状，因此C错误。

2．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条通过第一个光电门的时间为Δt1=0.29s，通过第二个光电门的时间为Δt2＝0．11s，已知遮光条的宽度为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．

【答案】0.10m/s0.27m/s

【解析】滑块通过光电门的时间极短，可以用短程内的平均速度来表示该点的瞬时速度．由平均速度的定义可计算，滑块通过第一个光电门时的瞬时速度v1=

=

=0.10m/s；滑块通过第二个光电门时的瞬时速度v2=

=

=0.27m/s．

3．下图是一位同学利用电磁打点计时器打出的一条纸带，相邻点的时间间隔为0．02s，纸带旁边是一把最小刻度为1mm的直尺，试计算拖着纸带做直线运动的物体在AC这段时间内的平均速度。

【答案】0．22m/s

【解析】根据平均速度的定义，AC这段时间内的平均速度就等于A到C的位移跟所用时间的比值．位移的大小可以从刻度尺上直接读出：

x＝4．00cm，A到C共10个点，9个时间间隔，所以A到C所用的时间t＝

0．02s×9＝0．18s，所以AC这段时间内的平均速度

＝

＝

＝0．22m/s。

学生作答