高一物理人教版必修1學案第一章3-第2課時實驗測量紙帶的平均速度和瞬時速度

第2課時實驗：測量紙帶的平均速度和瞬時速度一、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物體的速度。(3)能利用v-t圖像分析實驗數(shù)據(jù)，描述物體的運動。二、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(電火花打點計時器使用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。三、實驗原理與設計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4～6V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(根據(jù)交流電頻率而定)記錄信息位置、時刻和位移、時間2.測量平均速度：根據(jù)v＝eq\f(Δx,Δt)可求出任意兩點間的平均速度，Δx是紙帶上兩點間的位移，利用刻度尺測量，Δt是這兩點間的時間間隔。3．測量瞬時速度：運動物體在某一時刻或某一位置(例如紙帶上某點)的瞬時速度可以粗略地由包含該點在內(nèi)的相距較近的兩點間的平均速度來替代。四、實驗步驟(1)了解打點計時器的結構，然后把它固定在桌子上。(2)把電磁打點計時器的兩個接線柱用導線與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。實驗中紙帶一般隔幾個點取一個計數(shù)點？提示：為了減小實驗誤差，計數(shù)點要每隔T＝0.1s選一個，即每隔四個點取一個計數(shù)點，而計算計數(shù)點的瞬時速度時，Δx、Δt應取此計數(shù)點前、后兩個點之間的位移和時間，即v＝eq\f(xn＋xn＋1,2T)。五、數(shù)據(jù)收集處理與誤差分析1．測量紙帶的平均速度：從打第1個點到打第n個點，紙帶的運動時間為Δt＝0.02(n－1)s，紙帶的位移為Δx，紙帶的平均速度v＝eq\f(Δx,Δt)。把測量和計算的結果填入表中。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)122.用打點計時器測量瞬時速度：(1)選取一條點跡清晰便于分析的紙帶。(2)從能夠看清的某個點開始，每隔四個點取一個計數(shù)點，每兩個計數(shù)點間的時間間隔T＝5×0.02s＝0.1s。在紙帶上用O、A、B、C、D…標出這些“計數(shù)點”，如圖所示。用刻度尺依次測出OA、OB、OC、OD…的距離是s1、s2、s3、s4…，再利用x1＝s1、x2＝s2－s1、x3＝s3－s2、x4＝s4－s3…確定出OA、AB、BC、CD…之間的位移x1、x2、x3、x4…(3)運動物體在A、B、C、D…各點的瞬時速度分別為vA＝eq\f(x1＋x2,2T)、vB＝eq\f(x2＋x3,2T)、vC＝eq\f(x3＋x4,2T)、vD＝eq\f(x4＋x5,2T)…3．用v-t圖像描述物體的速度：(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。實驗中如何減小誤差？提示：(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。教材原型實驗角度1實驗原理和實驗操作【典例1】研究“用打點計時器測速度”的實驗：(1)(多選)實驗中，除電磁打點計時器(含紙帶、復寫紙)、小車、一端帶定滑輪的長木板、導線及開關外，在下面的儀器和器材中，必須使用的有__________。(填選項代號)A．電壓合適的50Hz低壓交流電源B．電壓可調(diào)的直流電源C．刻度尺D．秒表E．天平(2)(多選)對于減小實驗誤差來說，下列采取的方法中正確的有__________。A．選取合適的n個點為計數(shù)點B．使小車運動得盡量慢些C．舍去紙帶上密集的點，只利用點跡清晰、點間間隔適當?shù)哪且徊糠诌M行測量、計算D．選用各處平整程度、光滑程度相同的長木板做實驗E．實驗時盡量讓小車遠離打點計時器，釋放小車后再接通電源【解析】(1)實驗中必須使用的有電壓合適的50Hz低壓交流電源，計算速度時需要測量各點間的距離，因此還必須使用刻度尺，故A、C正確。(2)選取合適的n個點為計數(shù)點，有利于測量長度，能使平均速度與瞬時速度更接近，以減小實驗誤差，選項A正確；使小車運動得盡量慢些，打出的點較密，取點會較多，會使實驗誤差較大，選項B錯誤；舍去紙帶上密集的點，只利用點跡清晰、點間間隔適當?shù)哪且徊糠诌M行測量、計算，這樣可減小實驗誤差，選項C正確；選用各處平整程度、光滑程度相同的長木板做實驗，可使小車運動比較平穩(wěn)，各點的瞬時速度與實際更接近，可減小實驗誤差，選項D正確；若小車遠離打點計時器，且先釋放小車后接通電源，會造成點密而少，給測量、計算結果造成較大誤差，選項E錯誤。答案：(1)A、C(2)A、C、D(多選)關于打點計時器的原理和使用方法，下列說法正確的是()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電源上【解析】選A、C。打點計時器應接交流電源，交流電源頻率為50Hz，A正確；電磁打點計時器使用6V以下的低壓交流電源，D錯誤；由于打點計時器每隔0.02s打一個點，所以相鄰計時點的時間間隔為0.02s，如果相鄰兩個計數(shù)點間還有四個計時點，則相鄰兩計數(shù)點的時間間隔應為5×0.02s＝0.1s，B錯誤；打點時間是一樣的，點密集的地方速度小，點稀疏的地方速度大，即紙帶的速度由小變大，C正確。角度2實驗數(shù)據(jù)處理【典例2】如圖所示是一條利用頻率為50Hz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，各計數(shù)點到0點的距離已在圖上標出，求各計數(shù)點的瞬時速度并畫出v-t圖像。【解析】1點是0和2間的中間時刻，求出0和2間的平均速度即可認為是1點的瞬時速度，同理2、3、4、5點的瞬時速度也可求出。0和6兩個點的瞬時速度不便求出，然后畫出圖線，注意相鄰計數(shù)點間的時間間隔T＝0.1s。各段時間的平均速度作為中間時刻的瞬時速度分別為：v1＝0.195m/s；v2＝0.40m/s；v3＝0.61m/s；v4＝0.69m/s；v5＝0.70m/s答案：見解析創(chuàng)新型實驗【典例3】請同學幫忙測量你跑一百米的速度，大致描繪你自己跑一百米的v-t圖像。簡要步驟：一名同學在起點發(fā)令，每隔10m站一名同學計時。發(fā)令后，你起跑的同時其他10名同學一起按表計時，在你跑過計時同學的同時，停表。把記錄的數(shù)據(jù)記入表格，再計算你每跑10m內(nèi)的平均速度。(分小組討論一下，你們需要做哪些準備工作？例如同學的分工協(xié)作，發(fā)令計時的訓練等位置/m0102030405060708090100時刻/s0【解析】設記錄的時間為t1、t2……位置/m0102030405060708090100時刻/s0t1t2……算出每段10m第幾個10的位移123……91010m位移內(nèi)的時間Δt1t2－t1t3－t2…………每段的平均速度eq\x\to(v)＝eq\f(10,Δt)v1v2v3…………將每段的平均速度作為此段時間中點的瞬時速度，確定每點的坐標，(eq\f(t1,2)，v1)，(eq\f(t2－t1,2)＋t1，v2)，(eq\f(t3－t2,2)＋t2，v3)……描點，連線。答案：見解析【創(chuàng)新角度】(1)結合生活實際，研究學生的運動。(2)每10米在學校舉行的秋季運動會中，某同學獲得了高一年級100m賽跑的第一名，他的成績是12.