第1章 第4節(jié)　測量直線運動物體的瞬時速度-高中物理 必修第1冊(配粵教版)

第四節(jié)測量直線運動物體的瞬時速度核心素養(yǎng)·明目標：1．物理觀念：知道打點計時器、數(shù)字計時器，并會使用．2．科學(xué)思維：掌握三種計時器的使用方法，能用它們測量瞬時速度，能解決相關(guān)實際問題．3．科學(xué)探究：學(xué)會探究測量瞬時速度的方法，通過與他人交流合作，提高實驗探究能力．4．科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過利用三種計時器對瞬時速度的測量，實事求是，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣．知識點一打點計時器及其使用1．打點計時器：一種通過在紙帶上打出一系列的點來記錄物體運動信息的儀器．2．分類：電火花計時器和電磁打點計時器．3．電火花打點計時器(1)工作電壓：220V交流電源．(2)原理：當(dāng)接通電源、按下脈沖輸出開關(guān)時，計時器發(fā)出的脈沖電流經(jīng)放電針、墨粉紙盤到紙盤軸，產(chǎn)生火花放電，于是在運動的紙帶上就打出一系列點跡．4．電磁打點計時器(1)工作電壓：4～6V交流電源．(2)原理：接通交流電源后，在線圈和永久磁鐵的作用下，振片便振動起來，帶動其上的振針上下振動．這時如果紙帶運動，振針就通過復(fù)寫紙在紙帶上留下一系列小點．5．打點間隔：當(dāng)電源頻率是50Hz時，紙帶上每打出兩個相鄰點所經(jīng)歷的時間都是0.02s．打點計時器不能長時間連續(xù)工作，紙帶通過后應(yīng)立即關(guān)閉開關(guān)．(1)電磁打點計時器和電火花打點計時器的工作電壓都是220V的交變電壓． (×)(2)使用打點計時器(電源頻率為50Hz)打出的紙帶相鄰兩個點的時間間隔為0.02s． (√)(3)打點計時器在紙帶上準確記錄了運動物體的位移和時間． (√)知識點二數(shù)字計時器1．計時裝置的組成：由數(shù)字計時器和光電門組成的計時測量裝置，如圖所示．2．光電門：由發(fā)光裝置(紅外發(fā)光二極管)和光線接收裝置(光敏元件)構(gòu)成．光敏元件接收由發(fā)光裝置發(fā)出的光線，通常處于被照亮的狀態(tài)．3．計時器：有兩個輸入插口與光電門相連．4．計時原理：當(dāng)寬度一定的物體通過光電門時，光線被擋，光敏元件處于暗狀態(tài)，向數(shù)字計時器發(fā)出脈沖信號，觸發(fā)數(shù)字計時器開始計時，遮光結(jié)束(物體通過)停止計時，這樣就記錄下物體遮擋一個光電門光線的短暫時間．?dāng)?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，即任一光電門第一次遮光時開始計時，第二次遮光時停止計時，計時器顯示的是兩次遮光之間的時間(物體先后通過兩個光電門之間的時間)．?dāng)?shù)字計時器能測量出小到1ms或0.1ms的時間間隔，計時更精確靈敏．考點1打點計時器及其使用電磁打點計時器是應(yīng)用電磁鐵的原理，讓振針周期性的振動，通過復(fù)寫紙在紙帶上打下點跡，來記錄物體運動情況．請?zhí)骄浚?1)電磁打點計時器和電火花打點計時器各使用什么電源？(2)如果電磁打點計時器打的點不清晰，總結(jié)是什么原因？提示：(1)電磁打點計時器用4～6V交流電源，電火花打點計時器用220V交流電源．(2)打點不清晰可能是電壓太低，調(diào)高電壓就可以．[歸納例證]1．實驗步驟(1)了解電火花打點計時器的結(jié)構(gòu)，然后把它固定在桌子上，紙帶穿過限位孔，把紙帶放在墨粉紙盤的下面．(2)把計時器接到220V的交流電源上．(3)接通電源，用手水平地拉動紙帶，紙帶上就打出一行小點，隨后立即關(guān)閉電源．(4)取下紙帶，從能看得清的某個點數(shù)起，數(shù)一數(shù)紙帶上共有多少個點．如果共有n個點，則用Δt＝0.02×(n－1)s計算出紙帶的運動時間Δt．(5)用刻度尺測量出第一個點到第n個點的距離，在進行實驗測量之前，自己設(shè)計一個表格，用來記錄以上測量值．2．注意事項(1)使用電火花打點計時器時，應(yīng)注意把紙帶正確穿好，墨粉紙盤位于紙帶上方；使用電磁打點計時器時，應(yīng)讓紙帶穿過限位孔，壓在復(fù)寫紙下面．(2)使用打點計時器時，應(yīng)使物體停在靠近打點計時器的位置．(3)使用打點計時器打點時，應(yīng)先接通電源，待打點計時器打點穩(wěn)定之后，再拉動紙帶，打點之后應(yīng)立即關(guān)閉電源．(4)對紙帶進行測量時，不要分段測量各段的位移，正確的做法是一次測量完畢(可統(tǒng)一測量出各個測量點到起始測量點O之間的距離)．(5)區(qū)別計時點和計數(shù)點①計時點是打點計時器在紙帶上打出來的點．②計數(shù)點是從計時點中選出來的具有代表性的點，一般相鄰兩個計數(shù)點之間還有若干個計時點．計數(shù)點一般不是從第一計時點開始的，而是選擇點跡清晰、與相鄰的計時點間距適中的點開始．(6)區(qū)別打點周期和計數(shù)周期①打點周期：兩個相鄰的計時點的時間間隔，即交流電源的周期，一般為0.02s．②計數(shù)周期：兩個相鄰的計數(shù)點的時間間隔，若相鄰兩個計數(shù)點之間還有(n－1)個計時點，則計數(shù)周期為T＝0.02ns．【典例1】(1)電磁打點計時器是一種利用______電源的計時儀器，它的工作電壓是______V，當(dāng)電源頻率是50Hz時，它每隔________s打一次點．(2)使用電磁打點計時器時，紙帶應(yīng)穿過________，復(fù)寫紙應(yīng)套在________上，并要放在紙帶的________面；應(yīng)把________電源用導(dǎo)線接在__________上；打點時應(yīng)先__________，再讓紙帶運動．(3)(多選)打點計時器在紙帶上的點跡，直接記錄了()A．物體運動的時間B．物體在不同時刻的位置C．物體在不同時間內(nèi)的位移D．物體在不同時刻的速度思路點撥：電磁打點計器用低壓交流電源，每0.02s打下一個點，紙帶上直接記錄的信息是時間和位置．[解析](1)電磁打點計時器是一種利用交流電源的計時儀器，工作電壓為6V，工作頻率為50Hz，周期為0.02s．(3)電火花打點計時器和電磁打點計時器都是每隔0.02s在紙帶上打一次點，因此打在紙帶上的點跡可直接反映物體的運動時間，故A正確；因為紙帶跟運動物體連在一起，打點計時器固定，所以紙帶上的點跡就相應(yīng)地記錄了物體在不同時刻的位置，故B正確；用刻度尺量出各點跡間的間隔，可知道物體在不同時間內(nèi)的位移，再根據(jù)速度公式可算出物體在某段時間內(nèi)的速度，但這些量不是紙帶上的點跡直接記錄的，故C、D錯誤．[答案](1)交流60.02(2)限位孔定位軸上低壓交流接線柱接通電源(3)AB由紙帶記錄的信息(1)打點計時器是一種計時儀器，它有具體的工作電壓，從打出的紙帶上可以直接獲得物體運動的時間及不同時刻的位置信息．(2)電火花打點計時器和電磁打點計時器雖然所用電源電壓不同，但如果工作電壓的頻率為50Hz，則打點周期均為T＝0.02s．上題第(2)問中一條打出的紙帶如圖所示，如果每5個點下面計一個數(shù)，這些標數(shù)字的點稱為計數(shù)點．則兩個相鄰計數(shù)點間的時間間隔為多大？[解析]由圖中得出相鄰兩個計數(shù)點之間還有4個計時點，故t＝5T＝5×0.02s＝0.1s．[答案]0.1seq\o([跟進訓(xùn)練])1．(多選)關(guān)于打點計時器的使用，下列說法正確的是()A．先接通電源，后釋放紙帶B．電火花打點計時器使用的是220V交流電源C．使用的電源頻率越高，打點的時間間隔就越長D．先釋放紙帶或先接通電源都可以AB[為了增加紙帶的使用率，應(yīng)先接通電源，后釋放紙帶，A正確，D錯誤；電火花打點計時器使用的是220V交流電源，故B正確；因為T＝eq\f(1,f)，所以使用的電源頻率越高，打點的時間間隔就越短，C錯誤．]考點2數(shù)字計時器光電計時器是一種常用計時儀器，其結(jié)構(gòu)如圖所示，a、b分別是光電門激光的發(fā)射和接收裝置，當(dāng)一輛帶有擋光片的小車從a、b間通過時，光電計時器就可以顯示擋光片的擋光時間．請?zhí)骄浚?如何計算小車通過光電門的瞬時速度大??？2若擋光片寬d＝1.20cm，計時器顯示擋光時間是2×10－2s，則小車通過光電門時的速度大?。刻崾荆?用平均速度代替瞬時速度.2由速度公式得v＝eq\f(d,t)＝eq\f(1.2×10－2,2×10－2)m/s＝0.6m/s.[歸納例證]使用數(shù)字計時器應(yīng)該注意的問題(1)實驗前應(yīng)先調(diào)整發(fā)光器件和光敏元件的相對位置，因為如果二者沒有對準，則不能計時．(2)根據(jù)實驗要求正確選擇數(shù)字計時器的計時功能．【典例2】如圖所示用光電計時器研究物體的直線運動．1和2是固定在斜面上適當(dāng)位置的兩個光電門，讓滑塊從斜面的頂端滑下，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5.00×10－2s、2.00×10－2s．則：(1)能否由此確定滑塊由光電門1運動到光電門2的時間？(2)滑塊通過光電門1時和通過光電門2時相比較，通過哪個位置時更快一些？思路點撥：根據(jù)平均速度大小來確定物體運動的快慢．[解析](1)光電計時器顯示的擋光時間為滑塊各自通過光電門1、光電門2的時間，不能由此確定滑塊由光電門1運動到光電門2的時間．(2)滑塊寬度一定，滑塊通過光電門時擋光時間越短，滑塊運動得越快．[答案](1)不能．(2)通過光電門2時更快些．eq\o([跟進訓(xùn)練])2．關(guān)于數(shù)字計時器的說法正確的是()A．?dāng)?shù)字計時器只能記錄物體通過一個光電門的時間B．?dāng)?shù)字計時器能記錄物體通過一個光電門的位移C．?dāng)?shù)字計時器能記錄物體先后兩次經(jīng)過光電門之間的時間D．?dāng)?shù)字計時器不能記錄物體先后兩次經(jīng)過光電門之間的時間C[數(shù)字計時器既可記錄物體通過一個光電門的時間，也可記錄物體先后兩次經(jīng)過光電門之間的時間，但不能記錄物體經(jīng)過一個光電門的位移，故選項C正確．]1．(多選)對電磁打點計時器和電火花打點計時器的有關(guān)說法中，正確的是()A．電磁打點計時器和電火花打點計時器都是使用交流電B．兩種打點計時器的打點頻率與交流電源的頻率一樣C．電火花計時器在紙帶上打點是靠振針和復(fù)寫紙D．電磁打點計時器在紙帶上打點是靠電火花和墨粉AB[電磁打點計時器使用6V的交流電，電火花打點計時器使用220V的交流電，A正確；兩種打點計時器的打點頻率都由交流電源的頻率決定，B正確；電火花打點計時器在紙帶上打點是靠電火花和墨粉，C錯誤；電磁打點計時器在紙帶上打點是靠振針和復(fù)寫紙，D錯誤．]2．打點計時器所用的電源是50Hz的交流電，其相鄰點間的時間間隔是T，若紙帶上共打出N個點，這條紙帶上記錄的時間為t，則下列各式正確的是()A．T＝0.1s，t＝NTB．T＝0.05s，t＝(N－1)TC．T＝0.02s，t＝(N－1)TD．T＝0.02s，t＝NTC[電源頻率f＝50Hz，則相鄰點間的時間間隔T＝eq\f(1,f)＝eq\f(1,50)s＝0.02s，紙帶上共打出N個點，則有(N－1)個時間間隔，即t＝(N－1)T，故C正確．]3．下列選項中是打點計時器打出的四條紙帶，其中表示物體做勻速直線運動的是()B[勻速直線運動中，相等位移所用的時間相等．打點計時器打出的點與點之間的時間都相同，只要點與點之間的距離相等，就可判斷物體做勻速直線運動，故B正確．]4．用鐵架臺將長木板傾斜支在水平桌面上，組成如圖甲所示裝置，研究木塊沿斜面下滑的速度變化．所提供的儀器有長木板、木塊、打點計時器(含紙帶)、學(xué)生電源、米尺、鐵架臺及導(dǎo)線、開關(guān)等，圖乙是打點計時器打出的一條紙帶，紙帶旁還給出了最小刻度為1mm的刻度尺，刻度尺的零刻度線與O點對齊，A、B、C、D為四個相鄰的計數(shù)點，相鄰計數(shù)點間還有四個點未標出，打點計時器所用交流電源的頻率是50Hz．(1)計數(shù)點A到O點的距離是________mm．(2)根據(jù)紙帶可看出木塊下滑的速度v的變化情況是________．圖甲圖乙[解析](1)因為本實驗刻度尺最小刻度為1mm，根據(jù)讀數(shù)原則應(yīng)估讀到0.1mm，所以A到O點的距離是105.0mm．(2)由題中數(shù)據(jù)知相同時間內(nèi)木塊的位移逐漸變大，所以速度變大．[答案](1)105.0(2)變大5．(新情境題，以“電子眼”為背景，考查速度的測量)某高架道路上有段區(qū)域限速80km/h．為了監(jiān)控車輛是否超速，設(shè)置了一些“電子警察”系統(tǒng)，其工作原理如圖所示：路面下相隔L埋設(shè)兩個傳感器線圈A和B，當(dāng)有車輛經(jīng)過線圈正上方時，傳感器能向數(shù)據(jù)采集器發(fā)出一個電信號；若有一輛汽車(在本題中可看成質(zhì)點)勻速經(jīng)過該路段，兩傳感器先后向數(shù)據(jù)采集器發(fā)送信號，時間間隔為Δt；經(jīng)微型計算機處理后得出該車的速度，若超速，則計算機將開啟架設(shè)在路面上方的照相機C對汽車拍照，留下違章證據(jù)．根據(jù)以上信息，回答下列問題：(1)微型計算機計算汽車速度的表達式v＝________．(2)若L＝7m，Δt＝0.3s