实验：用打点计时器测速度

第一章运动的描述必修一·物理(RJ)第四节实验：用打点计时器测速度实验目的1．了解两种计时器的结构和工作原理，并学会安装和使用。2．理解根据纸带测量速度的原理并学会测量瞬时速度。3．理解速度—时间图象的意义，掌握描点法画图象的方法。并会画出该实验中的速度—时间图象。第一章运动的描述必修一·物理(RJ)实验原理1．两种打点计时器的比较项目比较电磁打点计时器电火花计时器组成结构工作电压6V以下交流电源220V交流电源打点周期0.02s功能计时仪器第一章运动的描述必修一·物理(RJ)2.根据纸带计算平均速度根据v＝ΔxΔt可求出任意两点间的平均速度，Δx是纸带上两点间的距离，Δt是这两点间的时间间隔。3．粗略计算瞬时速度纸带上某点的瞬时速度可以粗略地由包含该点在内的相距较近的两点间的平均速度来表示。第一章运动的描述必修一·物理(RJ)4．vt图象及其画法以速度v为纵轴，时间t为横轴建立直角坐标系，根据计算出的不同时刻的瞬时速度值，在坐标系中描点，最后用平滑曲线把这些点连接起来就得到了一条能够描述速度v与时间t关系的图象。实验器材电磁打点计时器(或电火花计时器)、学生电源(电火花计时器使用220V交流电源)、刻度尺、纸带、复写纸、导线、坐标纸。第一章运动的描述必修一·物理(RJ)实验过程一、实验步骤1．了解打点计时器的结构，然后把它固定在桌子上。2．把电磁打点计时器的两个接线柱用导线与6V的低压交流电源的接线柱相连接，让纸带穿过两个限位孔，压在复写纸的下面。3．接通电源，用手水平地拉动纸带，纸带上就打出一行小点，随后立即关闭电源。4．取下纸带，从能看得清的某个点数起，数一数纸带上共有多少个点。如果共有n个点，则用Δt＝0.02×(n－1)s计算出纸带的运动时间Δt。第一章运动的描述必修一·物理(RJ)5．用刻度尺测量一下打下这些点纸带通过的距离Δx，利用公式v＝ΔxΔt计算纸带在这段时间内的平均速度。把测量和计算的结果填入表中。第一章运动的描述必修一·物理(RJ)二、数据处理1．用打点计时器测量瞬时速度(1)选取一条点迹清晰便于分析的纸带。(2)从能够看清的某个点开始，每隔四个点取一个计数点，每两个计数点间的时间间隔T＝5×0.02s＝0.1s。在纸带上用O、A、B、C、D…标出这些“计数点”，如图所示。用刻度尺依次测出OA、OB、OC、OD…的距离是s1、s2、s3、s4…，再利用x1＝s1、x2＝s2－s1、x3＝s3－s2…确定出OA、AB、BC、CD…之间的距离x1、x2、x3、x4…第一章运动的描述必修一·物理(RJ)2．用图象表示速度用横轴表示时间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vt图象。(3)A、B、C、D…各点的瞬时速度分别为vA＝x1＋x22T、vB＝x2＋x32T、vC＝x3＋x42T、vD＝x4＋x52T…第一章运动的描述必修一·物理(RJ)误差分析1．利用平均速度来代替计数点的瞬时速度带来系统误差。为减小误差，应取以计数点为中心的较小位移Δx来求平均速度。2．分段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。第一章运动的描述必修一·物理(RJ)注意事项1．如果在纸带上数出了n个点，那么，它们的间隔数是(n－1)个，它们的时间间隔为(n－1)×0.02s。2．使用打点计时器打点时，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。第一章运动的描述必修一·物理(RJ)5．为了减小实验误差，计数点要每隔T＝0.1s选一个，即每隔四个点取一个计数点，而计算计数点的瞬时速度时，Δx、Δt应取此计数点前、后两个点之间的位移和时间，即v＝xn＋xn＋12T。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点O之间的距离)。读数时应估读到毫米的下一位。第一章运动的描述必修一·物理(RJ)【例1】(2017·海口高一检测)电磁打点计时器是一种使用________(选填“直流”或“交流”)电源的计时仪器，它的工作电压为4～6V。当电源频率为50Hz时，它每隔________s打一次点。使用电磁打点计时器时，应将纸带穿过限位孔，复写纸套在定位轴上，并要放在纸带的上面。仪器安装好后，让纸带运动之前应先将打点计时器的电源开关________(选填“断开”或“接通”)。第一章运动的描述必修一·物理(RJ)【解析】电磁打点计时器是一种测量时间的仪器，需要使用6V以下的低压交流电源，它每隔一个周期打一个点，因此纸带上相邻两个点之间的时间间隔为一个周期，即0.02s，使用电磁打点计时器时，纸带应穿过限位孔，复写纸套在定位轴上，并要放在纸带的上面，打点时应先接通电源，再让纸带运动。【答案】交流0.02接通第一章运动的描述必修一·物理(RJ)变式训练1（多选）关于打点计时器的原理和使用方法，下列说法中正确的是()A．打点计时器应接交流电源，交流频率通常为50HzB．如果纸带上相邻两个计数点之间有四个点，则相邻两个计数点间的时间间隔是0.08sC．如果打点计时器在纸带上打下的点先密集后稀疏，则说明纸带的速度由小变大D．电磁打点计时器接在220V电源上，电火花打点计时器接在6V电源上第一章运动的描述必修一·物理(RJ)【解析】打点计时器使用交流电，电磁打点计时器使用6V以下的低压交流电源；电火花计时器使用220V交流电源，相邻两点的时间间隔是0.1s。【答案】AC第一章运动的描述必修一·物理(RJ)【例2】(2017·珠海高一检测)某同学在做“用打点计时器测速度”的实验时，得到一条点迹清晰的纸带如图，在纸带上依次选出7个计数点，分别标以O、A、B、C、D、E和F，每相邻的两个计数点间还有四个点未画出，打点计时器所用电源的频率是50Hz。第一章运动的描述必修一·物理(RJ)(1)如果测得C、D两点间距x4＝2.70cm，D、E两点间距x5＝2.90cm，则据此数据计算在打D点时的速度公式为________，小车的速度值vD＝________m/s。(保留三位有效数字)(2)该同学分别算出其他点的速度：vA＝0.220m/s，vB＝0.241m/s，vC＝0.258m/s，vE＝0.300m/s，请设计表格将实验数据填入表格中，并在坐标系中作出小车运动的vt图象，设O点为计时起点。第一章运动的描述必修一·物理(RJ)(3)由所作vt图象判断小车的运动情况是怎样的？【解析】(1)D点为CE的中间时刻，所以可以认为D点的瞬时速度等于CE间的平均速度，即vD＝，代入数据计算可得vD＝0.280m/s。第一章运动的描述必修一·物理(RJ)第一章运动的描述必修一·物理(RJ)变式训练2(安徽模拟)用接在50Hz交流电源上的打点计时器测定小车的运动情况。某次实验中得到的一条纸带如图所示，从比较清晰的点起，每五个打印点取一个计数点，分别标明0、1、2、3…量得0与1两点间的距离x1＝30mm，2与3两点间的距离x3＝48mm，则小车在0与1两点间的平均速度v1＝________m/s，在2与3两点间的平均速度v3＝________m/s。据此判定小车做________。第一章运动的描述必修一·物理(RJ)【答案】0.30.48加速运动【解析】由平均速度的定义式v＝xt得v1＝x1T＝30×10－30.1m/s＝0.3m/s。v3＝x3T＝4.8×10－30.1m/s＝0.48m/s。第一章运动的描述必修一·物理(RJ)1．(多选)根据打点计时器打出的纸带()A．能准确地求出某点的瞬时速度B．只能粗略地求出某点的瞬时速度C．能准确地求出某段时间内的平均速度D．可以任意地利用某段时间内的平均速度代表某点的瞬时速度第一章运动的描述必修一·物理(RJ)【解析】在打点计时器打出的纸带的数据处理中，我们只能用与计数点靠得很近的一段距离的平均速度粗略表示计数点的瞬时速度，故A、D错误，B正确。而对于Δx和Δt是可以准确测得的，故可测得Δt内的平均速度，C正确。【答案】BC第一章运动的描述必修一·物理(RJ)2．(浙江学业水平模拟)如图为甲、乙两质点在同一直线上运动的速度—时间图象。关于甲、乙两质点的运动，下列说法中正确的是()A．质点甲向所选定的正方向运动，质点乙与甲的运动方向相反B．质点甲、乙的速度相同C．在相同的时间内，质点甲、乙的位移相同D．不管质点甲、乙是否从同一地点开始运动，它们之间的距离一定越来越大第一章运动的描述必修一·物理(RJ)【解析】由图象知质点甲、乙的运动方向是相反的，故选项A正确，B错误；速度方向相反，相同时间位移方向相反，不可能相同，故选项C错误；甲、乙反向，若是背向运动，则它们的间距增大，但若是相向运动，则它们的间距在减小。【答案】A第一章运动的描述必修一·物理(RJ)3．（多选）一身高为H的运动员正在进行110m栏比赛，在终点处，有一站在跑道边的摄影记者用照相机给他拍摄冲线动作。摄影记者使用的照相机的光圈(控制进光量的多少)是16，快门(曝光时间)是160s。得到照片后测得照片中人的高度为h，胸前号码布上模糊部分的宽度是ΔL。根据题意可以知道运动员的()A．110m栏成绩B．冲线速度C．110m内的平均速度D．110m栏比赛过程中发生的位移大小第一章运动的描述必修一·物理(RJ)【答案】BD【解析】号码布上模糊部分是运动员在160s内前进的位移，实际上人前进的位移为ΔL·Hh，因此可得160s内运动员的平均速度，由于时间比较短，可用这段时间内的平均速度表示运动员冲线的瞬时速度，故B正确；不知道运动员跑完110m的时间，故无法求得110m栏成绩和110m内的平均速度，A、C错误；110m栏比赛是直线运动，其位移大小为110m，故D正确。第一章运动的描述必修一·物理(RJ)4．(1)在做用打点计时器测速度的实验时，要用到打点计时器，打点计时器是一种计时仪器，其电源频率为50Hz，常用的“电磁打点计时器”使用的电压是________V的________(选填“直流电”或“交流电”)，它们是每隔________s打一个点。(2)接通打点计时器电源和让纸带开始运动，这两个操作之间的时间顺序关系是()A．先接通电源，再让纸带运动B．先让纸带运动，再接通电源C．让纸带运动的同时接通电源D．先让纸带运动或先接通电源都可以第一章运动的描述必修一·物理(RJ)【解析】(1)电磁打点计时器的工作电压是6V以下的交流电，一般是4～6V。打点间隔为交流电的频率的倒数，当电源的频率是50Hz时，打点周期是0.02s。(2)使用打点计时器时，应先接通电源，让打点计时器工作，再让纸带运动使打点计时器在上面打出点迹，故A项正确。【答案】(1)4～6交流电0.02(2)A第一章运动的描述必修一·物理(RJ)5．如图所示，打点计时器所用电源的频率为50Hz，某次实验中得到一条纸带，用毫米刻度尺测出各点间的距离如图所示，则：AC＝________mm，AD＝________mm。那么由此可以算出纸带在AC间的平均速度为________m/s，纸带在AD间的平均速度为________m/s；B点的瞬时速度更接近于________m/s。第一章运动的描述必修一·物理(RJ)【答案】14.025.00.350.420.35【解析】AC＝14.0mm，AC间的平均速度为xAC2T＝14.0×10－32×0.02m/s＝0.35m/s；AD＝25.0mm，AD间的平均速度为xAD3T＝25.0×10－33×0.02m/s＝0.42m/s。对描述B点的瞬时速度来说，AC段所取的位移间隔更小，更能接近B点的真实速度，即B点的瞬时速度更接近于0