高中物理—DIS實驗系統(tǒng)T

1、教師日期學生課程編號課型新課課題DIS實驗系統(tǒng)教學目標1、理解平均速度和瞬時速度2、知道平均速度和瞬時速度在描述運動快慢方面的區(qū)別和聯(lián)系教學重點1、理解極限思想在建立瞬時速度概念時的作用教學知版塊時長（分鐘）1知識點回顧52知識點講解453課堂練習604課堂總結105回家作業(yè)40DIS實驗系統(tǒng)知識點講解知識點一：速度的測量從光速的測量說起1607年，伽利略進行了最早的測量光速的實驗伽利略的方法是，讓兩個人分別站在相距一英里 的兩座山上，每個人拿一個燈，第一個人先舉起燈，當?shù)诙€人看到第一個人的燈時立即舉起自己 的燈，從第一個人舉起燈到他看到第二個人的燈的時間間隔就是光傳播兩英里的時間。但由于光

2、速 傳播的速度實在是太快了，這種方法根本行不通。但伽利略的實驗揭開了人類歷史上對光速進行研 究的序幕。1676年，丹麥天文學家羅麥第一次提出了有效的光速測量方法。他在觀測木星的衛(wèi)星的隱食周 期時發(fā)現(xiàn)：在一年的不同時期，它們的周期有所不同；在地球處于太陽和木星之間時的周期與太陽 處于地球和木星之間時的周期相差十四五天。他認為這種現(xiàn)象是由于光具有速度造成的，而且他還 推斷出光跨越地球軌道所需要的時間是22分鐘。1676年9月，羅麥預言預計11月9日上午5點25分45秒發(fā)生的木衛(wèi)食將推遲 10分鐘。巴黎天文臺的科學家們懷著將信將疑的態(tài)度，觀測并最終證 實了羅麥的預言。羅麥的理論沒有馬上被法國科學院接

3、受，但得到了著名科學家惠更斯的贊同?；?更斯根據(jù)他提出的數(shù)據(jù)和地球的半徑第一次計算出了光的傳播速度：214000千米/秒。1725年，英國天文學家布萊德雷發(fā)現(xiàn)了恒星的“光行差”現(xiàn)象，以意外的方式證實了羅麥的理 論。剛開始時，他無法解釋這一現(xiàn)象，直到 1728年，他在坐船時受到風向與船航向的相對關系的啟 發(fā)，認識到光的傳播速度與地球公轉共同引起了 “光行差”的現(xiàn)象。他用地球公轉的速度與光速的 比例估算出了太陽光到達地球需要8分13秒。這個數(shù)值較羅麥法測定的要精確一些。菜德雷測定值證明了羅麥有關光速有限性的說法。光速的測定，成了十七世紀以來所展開的關于光的本性的爭論 的重要依據(jù)。但是，由于受當時實

4、驗環(huán)境的局限，科學家們只能以天文方法測定光在真空中的傳播 速度，還不能解決光受傳播介質影響的問題，所以關于這一問題的爭論始終懸而未決。1849年，法國人菲索第一次在地面上設計實驗裝置來測定光速。他的方法原理與伽利略的相類 似。他將一個點光源放在透鏡的焦點處，在透鏡與光源之間放一個齒輪，在透鏡的另一測較遠處依 次放置另一個透鏡和一個平面鏡，平面鏡位于第二個透鏡的焦點處。點光源發(fā)出的光經(jīng)過齒輪和透 鏡后變成平行光，平行光經(jīng)過第二個透鏡后又在平面鏡上聚于一點，在平面鏡上反射后按原路返回。由于齒輪有齒隙和齒，當光通過齒隙時觀察者就可以看到返回的光，當光恰好遇到齒時就會被遮住。從開始到返回的光第一次消失

5、的時間就是光往返一次所用的時間，根據(jù)齒輪的轉速，這個時間不難求出。通過這種方法，菲索測得的光速是315000千米/秒。由于齒輪有一定的寬度，用這種方法很難精確的測出光速。1850年，法國物理學家傅科改進了菲索的方法，他只用一個透鏡、一面旋轉的平面鏡和一個凹 面鏡。平行光通過旋轉的平面鏡匯聚到凹面鏡的圓心上，同樣用平面鏡的轉速可以求出時間。傅科 用這種方法測出的光速是298000千米/秒。另外傅科還測出了光在水中的傳播速度，通過與光在空氣中傳播速度的比較，他測出了光由空氣中射入水中的折射率。這個實驗在微粒說已被波動說推翻 之后，又一次對微粒說做出了判決，給光的微粒理論帶了最后的沖擊。光波是電磁波

6、譜中的一小部分，當代人們對電磁波譜中的每一種電磁波都進行了精密的測量。1950年，艾森提出了用空腔共振法來測量光速。這種方法的原理是，微波通過空腔時當它的頻率為 某一值時發(fā)生共振。根據(jù)空腔的長度可以求出共振腔的波長，在把共振腔的波長換算成光在真空中 的波長，由波長和頻率可計算出光速。當代計算出的最精確的光速都是通過波長和頻率求得的。1958年，弗魯姆求出光速的精確值：299792.5 0.1千米/秒。1、打點計時器打點計時器是一種計時儀器，使用交流電源，工作電壓6V以下，當電源的頻率是 50Hz時，它每隔0.02s打一個點。打點計時器的構造如圖所示，通電之前，把紙帶穿過限位孔， 接通電源后，在

7、線圈和磁鐵的作用下，振片振動，帶動振針上下振動。這時，如果紙帶運動，振針通過復寫紙在紙帶上留下一行小點。思想方法：用某段時間內的平均速度來粗略的代替這段時間內的某點的瞬時速度。所取的時間間隔越接近，該點計算出的瞬時速度就越精確?！揪氁痪殹吭谟么螯c計時器測定手拉動紙帶的瞬時速度實驗中，得到如圖所示的紙帶，圖中A, B,C, D, E為相鄰的測量點，打點計時器交流電頻率是50赫茲，B、C、D三點對應的紙帶的速度為vb=m/s , vc=m/s, vd =m/s單恒mm TOC o 1-5 h z _flCD E-4.4jj:E1,1-n【答案】1.3m/s； 1.5m/s； 1.7m/s2、頻閃照

8、相用多次曝光把運動物體每隔一定時間間隔所在的位置記錄在同一底片上的攝影技術叫頻閃照相。借助于電子閃光燈的連續(xù)閃光，在一個畫面上記錄動體的連續(xù)運動過程。利用電子頻閃燈一次緊接 一次地頻繁閃光，閃光頻率越高，底片曝光次數(shù)越多，在照片上出現(xiàn)的影像也越多。一般來說，這 種燈每秒鐘的閃光次數(shù)可達幾十次甚至上百次。用電子頻閃燈拍攝一個動體時，畫面上可以留下幾 十個重疊、錯落有致的影像。這些以一定規(guī)律間隔產(chǎn)生的影像，可以給人一種節(jié)奏感強烈的視覺感 受，它可以使人感到新奇，是因為用高速頻率將景物凝固在一張畫面上的視覺效果，比平時僅憑肉 眼是無法看到的?！揪氁痪殹咳鐖D是用頻閃法（閃光頻率一定）拍得的三幅體育攝影

9、作品，請根據(jù)運動學知識判斷下列說法中正確的是（）A.第一幅圖是車減速階段拍攝的B.第二幅圖是車減速階段拍攝的C.第三幅圖是車減速階段拍攝的D .三幅照片都是車勻速行駛時拍攝的【答案】C三、超聲波超聲波測速儀每隔相等時間，發(fā)出一超聲脈沖信號，每隔一段時間接收到物體反射回的該超聲脈沖 信號。利用超聲波對汽車運動速度的測定，就是利用超聲波的直線傳播和反射，通過對超聲波從發(fā) 射到返回時間的測定，測出汽車遇到超聲波時的位置，進而測出其運動速度的?！揪氁痪殹科囋谀扯喂飞蟿蛩傩旭倳r，進入某超聲測速區(qū)域，如圖所示。當該車運動到距測速儀370m時，測速儀向該車發(fā)出一超聲波信號，2s后收到從車返回的信號，超聲

10、波在空氣中傳播速度為340m/s,該車的速度為多少？【答案】30m/s知識點二：數(shù)字化信息系統(tǒng)(DIS)、現(xiàn)代實驗技術 數(shù)字化信息系統(tǒng)(DIS):1、作用：利用現(xiàn)代信息技術進行實驗研究2、基本結構：(1)傳感器：把實驗中測量的各種物理量轉換成標準的電信號，并把這些信號傳遞給數(shù)據(jù)采集器。DIS配備了多種傳感器傳感器和數(shù)據(jù)采集器3、傳感器使用方法簡介：(1)電流傳感器：使用方法與電流表類似，使用時把電流傳感器串聯(lián)在電路中。如果待測電流從電 流傳感器的紅色線流入，黑色線流出，顯示的數(shù)值為正數(shù)；如果反接，顯示的數(shù)值為負數(shù)。(2)微電流傳感器：一般用于定性觀察實驗，其使用方法與電流傳感器類似。(3)電壓

11、傳感器：使用方法與電壓表類似，使用時把電壓傳感器并聯(lián)在電路中。如果電壓傳感器的 紅色線接到電路的高電位端，黑色線接到低電位端，顯示的數(shù)值為正數(shù)。如果反接，顯示的數(shù)值為 負數(shù)。(4)壓強傳感器：用于測量氣體壓強，其讀數(shù)為絕對壓強值，無需通過大氣壓加以換算。使用時應 保證被測氣體容器與壓強傳感器前端的軟管連接緊密。(5)溫度傳感器：使用方法類似溫度計，其溫度敏感元件置于傳感器金屬探針的頂端，使用時要讓 被測物體與此處充分接觸。(6)聲傳感器：聲傳感器的敏感器件置于傳感器前端，使用時要將其對準聲源。(7)位移傳感器：由超聲波發(fā)射模塊和接收模塊兩部分構成。使用時將位移接收模塊與數(shù)據(jù)采集器 連接，位移發(fā)

12、射模塊與運動物體固定在一起，或直接將其作為運動物體使用。(8)力傳感器：既可測量拉力，又可測量壓力。軟件中規(guī)定：拉力的示數(shù)為正值，壓力示數(shù)為負值。 (9)磁傳感器：磁傳感器探管前端內置磁敏元件，使用時需接入數(shù)據(jù)采集器預熱幾分鐘，待讀數(shù)穩(wěn)定后再進行測量。軟件規(guī)定：當傳感器的探管指向被測磁場的S極，即磁感線經(jīng)傳感器從探管頂端處穿出時，測量值呈正值；當傳感器的探管指向被測磁場的N極，即磁感線從探管頂端處進入傳感器時，測量值呈負值，如圖所示。示數(shù)的絕對值即為測量點處平行于探管方向的磁感強度分量。(10)光電門傳感器：使用高精度光敏器件構成連續(xù)的光路。在已知運動物體長度的條件下，記錄 該物體遮擋光路的時

13、間，即可得出物體的運動速度。傳感器名稱量程分度電流傳感器1A+1A10mA電壓傳感器10V+10V10mV微電流傳感器1(1A+1A/溫度傳感器10 c+110C0.1 C壓強傳感器0300kPa0.1 kPa力傳感器20N/ 10N0.1N磁感應強度傳感器士 15mT0.1mT位移傳感器0200cm1mm光電門傳感器/0.01mS聲波傳感器100Hz 1KHz1ms光強傳感器/1mmG-M傳感器40000cpm (最大計數(shù)率)1cpm【思考】通過上表，試比較傳感器和傳統(tǒng)實驗器材的優(yōu)點(2)數(shù)據(jù)采集器：把實驗中用傳感器采集到的電信號轉換成數(shù)字信號并傳遞給計算機。DIS數(shù)據(jù)采集器采用四路并行輸入

14、，可同時接插四種傳感器。(3)計算機(裝有實驗軟件包)：通過實驗軟件包中的教材專用軟件和教材通用軟件，以數(shù)值顯示、圖表、曲線等各種方式表現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)，并可根據(jù)要求對實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)公式計算、曲 線猜想與擬合等各種分析與處理。3、實物圖如下所示:知識點三：用DIS測定位移和速度、用DIS測定物體的位移和速度1、實驗目的研究變速直線運動物體的 s-1圖，并從中求物體的位移和速度。2、實驗器材DIS (位移傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機等)、力學軌道、小車、支架等3、實驗步驟(1)將位移傳感器的發(fā)射器固定在小車上，接收器固定在軌道的右端，將接收器與數(shù)據(jù)采集器、計算機連接好。(2)開啟電源，點擊“

15、用 DIS測定位移和速度”。(3)點擊“開始記錄”，放開小車使其運動，計算機表格內出現(xiàn)取樣點數(shù)據(jù)，s-t圖中出現(xiàn)對應的數(shù)據(jù)點，點擊“數(shù)據(jù)點連線”，得到st圖。(4)點擊 選擇區(qū)域”，取A、D兩點，圖中直角三角形水平邊為兩點的時間間隔At,豎直邊為兩點位移的變化量 As,其斜邊的斜率 一s即為平均速度值，實驗下方速度窗口中將顯示該速度的值。t(5)將類似于上述實驗界面圖中AD、AC、AB”選定為研究區(qū)域，觀察實驗界面下方速度窗口中顯示的數(shù)據(jù)，并將數(shù)值填入表格內。號，*Ji! 1I 工 I-11 I LI1.工電llqw電-n1電力 L【練一練】下列s-1圖能否反應物體的運動狀態(tài)，物體分別做什么運

16、動?【答案】(1)勻速直線運動，速度逐漸變小的變速直線運動，速度逐漸變大的變速直線運動 二、用光電門測瞬時速度：1、實驗器材光電門傳感器、力學軌道、小車、支架2、實驗步驟(1)將光電門傳感器固定在軌道側面，墊高軌道的一端，使固定有擋光片的小車能夠順利通過并能擋光。(2)開啟電源，運行DIS應用軟件，點擊實驗條目中的 用DIS測定瞬時速度”，出現(xiàn)相應軟件界面。(3)點擊 開始記錄”，依次將與軟件中 $對應的擋光片固定在小車上，讓小車從軌道的同一位置由靜止開始下滑，分別記錄下四次擋光的時間,式電門 次次苒配片亮度通過光電】時的一打公10 0800 23044(?3472Q.0600.17464口

17、34430.040011662G.34310.0200.0500.S42DIS實時計算出小車通過光電門時的平均速度。【練一練】用DIS測瞬時速度的實驗中，擋光片的寬度A.越寬越好C.適當窄些【答案】CB.越窄越好D.無所謂課堂練習考點一：DIS的概念、實驗器材的使用【例1】用DIS測瞬時速度的實驗中下列器材中必需的是（）（多選）A.位移傳感器B.光電門傳感器C.擋光片D.配重片【難度】【答案】BC【變式訓練】1、利用現(xiàn)代信息技術進行的實驗叫做DIS實驗，DIS由傳感器、和 組成。如圖所示為 用DIS測變速直線運動的瞬時速度 ”實驗的裝置圖，圖中所示的器材為:A.位移傳感器B.速度傳感器C.時間

18、傳感器D.光電門傳感器【難度】【答案】數(shù)據(jù)采集器；計算機；D 2、光電門是用光電管的接通與斷開來記錄光被阻斷的時間。 （選填 宥，沒有“）擋光時光 電門不通電工作， （選填有，沒有“）物體擋光時則開始通電工作。在已知運動物體長度 的條件下，記錄該物體遮擋光路的時間，即可得出物體的 ?！倦y度】【答案】沒有；有；瞬時速度?？键c二：用DIS測量平均速度【例1】測定小車的平均速度時，選用的是 傳感器.測定小車的瞬時速度時常用 傳感 器.如圖所示是DIS實驗記錄的小車運動的 st圖象，選擇區(qū)域AB范圍內的平均速度為 m/s, 選擇區(qū)域AC范圍內平均速度為 m/s,其中較接近A點瞬時速為 .（選填前者”或

19、后* j mr占者“）.【難度】【答案】位移；光電門；1.17; 1.0;后者【變式訓練】1、在實驗中得到小車做直線運動的s-t關系如圖所示。（1）由圖可以確定，小車在 AC段和DE段的運動分別為 運動和 運動（選填“加速”、“勻速”、“減速”）（2）在與AB、AC、AD對應的平均速度中，最接近小車在 A點瞬時速度的是 【難度】【答案】（1）加速；勻速（2） AB考點三：用DIS測量瞬時速度【例1】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，圖乙中MN是水平桌面，Q是木板

20、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，讓滑塊d從木板的頂端滑下，光電門1、2各自連接的計時器顯示的擋光時間分別為 2.5X0-2 s和1.0 10-2 s,小滑塊d的寬度為0.5 cm。可測出滑塊通過光電門1的速度V1 =m/s,滑塊通過光電門2的速度V2=m/so甲【難度】【答案】0.2; 0.5【變式訓練】1、如圖所示，在氣墊導軌上 A處安裝光電門，滑塊上分別插上寬度不等的遮光片。每次都從最高點 釋放滑塊，則滑塊前沿的P點每次經(jīng)過A時的運動快慢相同。 光電計時器可以記錄 P從A點經(jīng)過一 段位移As所需時間t( As為遮光片寬度)。遮光

21、片寬度 As和所需時間 At列表如下：As/mAt/sv/ (m s 1)光電計時器0.050.0890.040.0750.030.0580.020.0390.010.020.0050.01(1)求出每次遮光片通過光電門的平均速度，并填入上表。(保留兩位有效數(shù)字)(2)隨著 絲的減小，平均速度的大小有什么特點？這反映了什么物理意義？(3)如何更精確地測定 P點經(jīng)過A點的瞬時速度呢？ P點經(jīng)過A時的速度更接近上述哪一個速度？【難度】【答案】(1) 0.56; 0.53; 0.52; 0.51; 0.50; 0.50(2)隨著 絲的減小，平均速度的大小似乎向某個數(shù)值靠攏。這說明，隨著As的減小，所

22、得的平均速度就越接近P點經(jīng)過A時運動的快慢程度。 一 ,、一 . As 一一. . 一.(3)再縮小遮光片的寬度，即時間間隔At盡可能小。當 用非常小時，不就是P點經(jīng)過A時的瞬時速度。P點經(jīng)過A時的瞬時速度更接近 0.50 m/s。2、如圖甲所示是在高速公路上用超聲波測速儀測量車速的示意圖，測速儀發(fā)出并接收超聲波脈沖信號，根據(jù)發(fā)出和接收到的信號間的時間差，測出被測汽車的速度。圖乙中p1、p2是測速儀發(fā)出的超聲波信號，】、n2分別是P1、P2由汽車反射回來的信號。設測速儀勻速掃描，P1、P2之間的時間間隔四=1.0 s,超聲波在空氣中傳播的速度是v=340 m/s,若汽車是勻速行駛的，則根據(jù)圖乙

23、可知，汽車在接收到Pi、p2兩個信號之間的時間內前進的距離是 m,汽車的速度是 m/so【難度】 【答案】17; 17.91、潛水艇豎直下沉時，向水底發(fā)射出持續(xù)時間為Ati的某脈沖聲波信號，經(jīng)過一段時間，該潛水艇接受到了反射信號，持續(xù)時間為At2,已知聲波在水中的傳播速度為vo。則潛水艇的下沉速度為【難度】2、利用超聲波遇到物體發(fā)生反射，可測定物體運動的有關參量。圖甲中儀器A和B通過電纜線連接，B為超聲波發(fā)射與接收一體化裝置，而儀器 A為B提供超聲波信號源而且能將 B接收到的超聲 波信號進行處理并在屏幕上顯示其波形?，F(xiàn)固定裝置B,并將它對準勻速行駛的小車C,使其每隔固定時間 To發(fā)射一短促的超

24、聲波脈沖、而B接收到的由小車 C反射回的超聲波經(jīng)儀器 A處理后顯示如圖乙中幅度較小的波形，反射滯后的時 間已在圖乙中標出。其中T和AT為已知量，另外還知道該測定條件下聲波在空氣中的速度為vo。則根據(jù)所給信息可判斷小車的運動方向為 。（填“向左”或“向右”），速度大小為 乙【難度】【答案】向右;Vo T2ToT課堂總結1、說說DIS實驗的優(yōu)點有哪些?2、利用光電門測量小車速度，光電門的實驗原理是什么?回家作業(yè)1、DIS的主要組成部分分別是 一【難度】【答案】傳感器；數(shù)據(jù)采集器；計算機以及 三部分。2、從側面拍攝一輛以 36km/h運動著的汽車，如果底片上汽車有像移動的尺寸不大于0.1毫米，底片上

25、的像才不至于模糊，已知汽車車身長3米，在底片上汽車長為 1.5厘米，那么曝光時間最多為（ ）1111 一A血秒 B藐秒C亞秒D赤秒。3、某同學在 用DIS測定位移和速度”實驗中得到的小車的 st圖如圖所示。由圖可知，小車運動的 方向是（填靠近”或遠離”）位移傳感器。從圖中可以看出，小車在做 （填加速 或 減速”）運動，小車在1.01.5s間的平均速度為 m/s。【難度】0 4-I ，【答案】遠離；加速；0,44、圖是一小球從 A點沿直線運動到F點的頻閃照片，若頻閃照相機每隔0.2s閃拍一次。分析照片可知：小球從 A點到F點是作 （填“勻速”或“變速”）直線運動；共運動了 cm的 路程；小球從A點運動到F點的平均速度為 m/s；小球在 兩點間的平均速度最大|liii|iiil|iiil|iili|iiil|iili|iili|ilii|iii