第四节 实验：用打点计时器测速度

高一物理教案第一章运动的描述鄂尔斯一中物理组：赵春光21第四节实验：用打点计时器测速度[教学目标]知识与技能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(时间和位移)。2、会安装并使用打点计时器，理解利用纸带测量速度的原理并会测量瞬时速度。3、明确速度-时间图象的物理意义，描点法画图象的方法，并画出该实验的速度-时间图象。过程与方法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，用数学的方法表述出来。培养学生获取信息处理信息的能力，体会处理问题的方法，领悟如何间接测量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，即要动手，又要动脑。5、经历科学探究过程认识科学探究的意义，尝试应用科学探究的方法研究物体的运动。情感态度与价值观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实际生活的意识。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秘。3、体验用图象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。4、培养学生的交流与合作精神，有将自己的见解与他人交流的愿望，并养成尊重他人的习惯。[教学重点]：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。[教学难点]：处理纸带的方法，用描点法画图象的能力。[教学方法]：讲授[课型]：新授课[教学用具]：打点计时器，学生电源，导线，纸带，刻度尺，小车细线及钩码，坐标纸。[教学互动过程]：引课：同学们知道哪些计时的工具？（手表、闹钟、秒表）让实验桌上的小车从木板的一端运动到另一端，它的运动时间用哪一个记录比较合适？上述三者都不合适，因为小车从木板一端运动到另一端时间太短了，用秒表来计时，误差也会很大。那么怎样记录运动时间很短的物体的时间呢？今天我们先来学习实验室中比较精确计时仪器中最简单的一种-打点计时器。学生看课本19～20页的内容（电磁打点计时器和电火花计时器）并思考下列问题。高一物理教案第一章运动的描述鄂尔斯一中物理组：赵春光22一、打点计时器和电火花计时器1、电磁打点计时器和电火花计时器的工作电压各是多少？使用什么电源？能不能用直流电源呢?电磁打点计时器的工作电压是4～6V，电火花打点计时器的工作电压是220V。都使用交流电源。不能用直流电源。2、两种计时器打点的时间间隔各是多少？当交流电的频率是50Hz时，两种计时器都是每隔0.02s打一次点。3、两种计时器的构造原理有什么不同？两种计时器在构造上不同处之一是：电磁打点计时器是让随振片上下振动的振针挤压复写纸在纸带上留下点，而电火花计时器则是利用火花放电在纸带上打出小孔而显示出点迹。4、电火花计时器工作时，纸带运动时受到的阻力为什么小？电磁打点计时器的阻力包括振针和纸带间的摩擦以及限位孔和纸带间的摩擦。而电火花计时器工作时，没有振针与纸带直接接触，因此阻力小。同时电火花打点计时器操作简易，安全可靠。5、打点计时器是如何记录物体的运动时间和位移的？两种计时的打点时间间隔都是0.02s，因此打在纸带上的点，记录了纸带运动的时间。如果纸带跟运动物体相连，纸带上的点间距离，就是物体在相应时间里的位移。二、练习使用打点计时器学生阅读教材20页中的练习使用打点计时器并引导学生思考下列问题：1、电磁打点计时器中怎样安放复写纸和纸带?将复写纸套在复写纸定位销上，推动调节片可以调节复写纸位置。将纸带从复写纸圆片下穿过即可。2、振针打的点不清晰或打不出点可能有哪些情况?怎样调节?⑴可能是复写纸该换新的了；⑵可能是振动片的振动幅度太小了，可以调节振动片的位置。⑶可检查压纸框的位置是否升高而阻碍了振动片使振针打不到纸带上，可将压纸框向下调节到原来的位置。⑷可能是振针的位置太高，调节振针直到能打出点为止。⑸可能是选择的电压太低，可适当调高电压，但不得超过10V。3、为什么要先打开电源让打点计时器先工作1—2s再松手打纸带?可不可以先松手再打开打点计时器的电源?打点计时器打开电源后要经过一个短暂的时间才能稳定工作，所以应先打开电源让打点计时器工作1～2s后才能松手打纸带。这样做可以减小误差。4、打点计时器打完点后要及时关闭电源，这样做有什么好处?因为打点计时器是按照间歇性工作设计的，长期工作会导致线圈发热而损坏。5、处理纸带时从某个能看清楚的点开始，往后数出n个点，这些点之间的时间间隔应该怎样确定?每2个相邻的点之间的时间间隔是0.02s，n个点之间的时间间隔为(n-1)倍的0.02s。6、怎样根据纸带上的点迹计算纸带的平均速度?测出两个点的距离，数出两个点之间有n段时间间隔，则在用公式高一物理教案第一章运动的描述鄂尔斯一中物理组：赵春光23nxv02.0即可计算出平均速度。三、用打点计时器测量瞬时速度学生阅读教材20～21页中的用打点计时器测量瞬时速度并思考怎样测量瞬时速度？思想方法：用某段时间内的平均速度来粗略的代替这段时间内的某点的瞬时速度。所取的时间间隔越接近该点计算出的瞬时速度就越精确。四、用图象表示速度根据实验数据我们只能粗略得知纸带在有些间断的点的速度。要想知道纸带的速度变化规律，我们还要借助于图象，怎样用图象来表示物体的运动速度呢?1、什么是速度图象？在坐标纸上建立直角坐标系，用横坐标表示时间，用纵坐标表示物体的运动速度，根据实验数据将(v，t)作为一组坐标在图象中描点，将点连线后得出的图象称为速度-时间图象(v-t图象)，简称速度图象。2、我们从根据实际测量数据所描出的点的走向可以大致看出纸带的速度变化规律。在把点连成线的时候我们是用折线来连还是用光滑的曲线来连呢?速度的变化应该是比较平滑的，所以，如果用一条平滑的曲线来”拟合”这些点应该更符合实际情况。练习1、运动的物体带动纸带被打点计时器打上一系列的点，这些点的距离不一定相等，但这些点能说明()A．运动物体在一段时间内的位移B．运动物体在一段时间内的运动快慢C．运动物体在某时刻的位置D．运动物体的运动性质答案：ABCD2、通过打点计时器得到的一条纸带上的点子不均匀，下列判断正确的是()A．点子密集的地方物体的运动速度比较大B．点子密集的地方物体的运动速度比较小C．点子不均匀说明物体在做变速运动D．点子不均匀说明打点计时器有故障答案：BC3、在你练习使用打点计时器时，小车拖动纸带并在上面打下一系列的小点，根据你所打出纸带，在判断纸带表示的运动是匀速直线运动还是变速直线运动时()A．应通过测量纸带表示的运动的全程来判断B．必须通过计算任意两点间的平均速度来判断C．必须通过计算全程的平均速度来计算D．可以通过测量每相邻两点间的距离，看其是否相同来判断答案：D附：误差与有效数字一、误差1、定义：测量值与真实值之间的差值称为误差。注意：误差存在于一切测量之中，而且贯穿测量过程的始终。实验中误差是不高一物理教案第一章运动的描述鄂尔斯一中物理组：赵春光24可避免的，但可以减小。2、分类：⑴按误差的性质和来源分，分为系统误差和偶然误差两种：①系统误差：在一定条件下（即使用的仪器、方法、测量时的环境和测量者均一定），对同一物理量进行多次测量，各次测量的结果与真实值的偏差总是具有相同的倾向性，即总是偏大或总是偏小，这种误差叫做系统误差。A．系统误差的主要来源a仪器误差：由于仪器本身的缺陷，如弹簧秤的零点不准，天平砝码的标称质量不准，秒表秒针转轴O与表盘中心O′不重合等。b理论误差：实验所依据的理论或实验方法本身不完善，如用伏安法测电阻时，没有考虑电表的内阻对实验结果的影响。c环境误差：实验时没有考虑外界环境的影响，如在温度为15℃环境中使用20℃条件下标定的标准定值电阻。d人身误差：测量者自身原因的影响，如使用秒表时，按表常常提前或滞后。B．减少系统误差的方法：提高实验仪器的精密度，完善实验原理，改进实验方法，控制实验条件，提高实验技能等。②偶然误差：各种不可避免的偶然因素对实验者或实验仪器产生的影响，使测量结果对真实值的偏差有时偏大，有时偏小，在一定数值范围内无规则地涨落，但在大数量测量中，偏大、偏小的机会相等。这种误差叫做偶然误差。A．偶然误差的主要来源：偶然误差是由于各种偶然因素对实验者、测量仪器和被测物理量的影响而产生的。B．减小偶然误差的方法：通过多次测量取平均值或通过作图处理数据。⑵按分析的数据分，可分为绝对误差和相对误差两种。①绝对误差是测量值与真实值之差，即绝对误差ΔN＝|测量值N-真实值N0|，它反映了测量值偏离真实值的大小。②相对误差等于绝对误差与真实值的比值。常用百分数表示，即：相对误差η＝(绝对误差ΔN/真实值)×100%，相对误差反映了实验结果的精确程度。③对测量值的评价，必须考虑相对误差，绝对误差大的相对误差不一定大。二、有效数字1、定义：有效数字是指带有一位不可靠数字的近似数字，有效数字的最后一位是估读位。2、有效数字的确定：⑴从左往右数，从第一个不为零的数字起，数到右边最末一位估读数字为止，包括末位为零的数字都是有效数字且有效数字的位数与小数点的位置无关。如1.006m，21.60m，0.7003m均为四位有效数字。⑵乘方不算有效数字，如3.6×104不是5位有效数字而是两位有效数字。5400m与5.4×103m所表示的有效数字位数是不同的，前者为四位有效数字，而后者为两位有效数字；所表示的意义也不相同，前者末位的“0”是估读，后者“4”是估读的；前者所用的测量工具是最小单位为10m，所者所用测量工具的最小单位为1000m。3、有效数字的读数规则：⑴由测量工具能直接读出最小分度的准确数，即有效数字的末位与精度对齐的高一物理教案第一章运动的描述鄂尔斯一中物理组：赵春光25数字，不需要估读，也不需要另在有效数字末位补“0”，如游标卡尺、机械秒表、电阻箱等。⑵最小分度是“1”的仪器，测量误差出现在下一位，应按最小分度的1/10估读，如最小刻度为1mm的刻度尺，测量误差出现在毫米的十分位上，估读到十分之几毫米。4、有效数字的计算规则许多物理量是从直接测量的结果计算出来的，测量结果既然是用有效数字表示的，在计算中就要遵守有效数字的规则：⑴不可靠的数字与别的数字相加减、相乘除，所得结果也是不可靠的。⑵计算结果只能保留一位可靠数字，但在计算过程中可以保留两位不可靠的数字，最后再四舍五入。练习1、下列关于误差的说法中正确的是（）A．绝对误差相同，相对误差一定相同；B．绝对误差大，相对误差一定大；C．相对误差越小，说明测量越准确；D．相对误差越小，对应的绝对误差一定越小。解析：比较测量结果的可靠性，应当用相对误差去评价，根据相对误差和绝对误差的定义可知选项C正确。2、甲、乙两同学分别测量100m的跑道长度和高度约为2m的跳高横杆离地面的高度，已知甲多次测跑道的平均绝对误差为4cm，乙多次测跳高横杆的高度的平均误差为1cm，问甲乙两同学哪一个的测量准确度高？哪位同学测量的精密度高？解析：甲同学测量的绝对误差为4cm，乙同学测量的绝对误差为1cm，乙同学测量的绝对误差较小，因此乙同学测量的精密度高。而测量的准确度要根据相对误差的大小进行比较，甲测跑道的相对误差为：η1＝ΔL/L＝0.04m/100m＝0.04%，乙测跳高横杆高度的相对误差为：η2＝Δh/h＝0.01m/2m＝0.5%，显然，甲同学测量的准确度高。3、某学生用刻度尺测量一竹竿的长度时记录的数据分别为5.65m和5.650m，试问该同学的测量结果有什么不同？解析：两个测量结果的有效数字的位数不同，因而测量的准确程度也不同。5.65m是三位有效数字，所用刻度尺的最小刻度为分米，5.6m是准确的，0.05m是估读出来的，而5.650m是四位有效数字，所用刻度尺的最小刻度为厘米，5.65m是准确的，第四位的“0”是估读的，因此5.650m的测量准确程度要高于5.65m的准确程度。4、使用两种不同的测量仪