搜索
第4课时实验:探究小车速度随时间变化的规律实验一练习使用打点计时器一、实验目的基础过关1.了解打点计时器的结构、原理及使用方法;2.学会用打点计时器测量物体的速度;3.能利用v-t图像分析实验数据,描述物体的运动。二、实验原理1.两种打点计时器的比较电磁打点计时器电火花计时器结构示意图 打点原理电磁作用下振针上下周期性振动打点脉冲电流经放电针、墨粉纸盘到纸盘轴放电打点电磁打点计时器电火花计时器工作电压6V以下交流电源220V交流电源打点周期0.02s0.02s阻力来源纸带与限位孔、复写纸的摩擦,纸带与振针的摩擦纸带与限位孔、墨粉纸盘的摩擦,比电磁打点计时器小功能功能相同,都是计时仪器2.测平均速度、瞬时速度的原理用跟运动物体连在一起的纸带上打出的点记录物体对应的位置,用刻度尺测出两个计数点间的位移Δx。打两个点的时间间隔为Δt,则 = ,当Δt很短时,认为 为t时刻的瞬时速度。三、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、坐标纸等。vΔΔxtΔΔxt四、实验过程1.实验步骤(1)把电磁打点计时器固定在桌子上,纸带穿过限位孔,把复写纸套在定位轴上,并且压在纸带上面。(2)把电磁打点计时器的两个接线柱接到6V的低压交流电源上。(3)接通电源开关,用手水平拉动纸带,使它在水平方向上运动,纸带上就打下一系列点。随后关闭电源。(4)重复步骤(2)、(3),获得3~5条纸带。(5)选择一条点迹清晰便于分析的纸带,舍去前面密集的点,找一清晰的点作为第1个点,往后数n个点,n个点之间的间隔数为(n-1),纸带从打第1个点到打第n个点的运动时间Δt=0.02(n-1)s。(6)用刻度尺测量出第1个点到第n个点间的距离Δx。2.数据处理(1)计算纸带的平均速度:从打第1个点到打第n个点,纸带的运动时间为Δt=0.02(n-1)s,纸带的位移为Δx,纸带的平均速度 = 。把测量和计算的结果填入表中。vΔΔxt(2)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…③A、B、C、D…各点的瞬时速度分别为vA= 、vB= 、vC= 、vD= …122xxT232xxT342xxT452xxT(3)用v-t图像描述物体的运动①以速度v为纵轴,时间t为横轴建立直角坐标系。②根据不同时刻的瞬时速度值,在坐标系中描点。③用平滑曲线把这些点连接起来,即得到v-t图像。五、误差分析1.利用平均速度来代替计数点的瞬时速度自身带来系统误差。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.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。3.计数点间的时间Δt搞错。几个计数点间的时间间隔为Δt=(n-1)×0.02s。而非Δt=n×0.02s。4.作v-t图像不用坐标纸、尺子,坐标单位选定得不合理,作图粗糙带来误差。六、注意事项1.实验前,应将打点计时器固定好,以免拉动纸带时晃动,并要先轻轻试拉纸带,应无明显的阻滞现象。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。5.使用电磁打点计时器时,如打出点较轻或是打出短线,应调整振针距复写纸的高度。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。实验二探究小车速度与时间的关系一、实验目的1.练习正确使用打点计时器。2.会根据纸带上的点迹求匀变速直线运动的瞬时速度、加速度。3.会根据纸带上的点迹探究小车速度随时间变化的规律,并能画出小车运动的v-t图像,根据图像求加速度。二、实验器材电磁打点计时器(或电火花计时器)、一端附有定滑轮的长木板、小车、纸带、细绳、钩码、刻度尺、导线、电源、复写纸片。器材名称打点计时器作用计时仪器,每隔0.02s打一次点工作条件电磁打点计时器:6V以下交流电源电火花计时器:220V交流电源纸带上点的意义a.表示和纸带相连的小车在不同时刻的位置;b.通过研究纸带上各点之间的间隔,可以判断小车的运动情况三、实验步骤1.按照如图所示实验装置,把打点计时器固定在长木板无滑轮的一端,连接好电路; 2.把细绳一端系在小车上并使细绳绕过滑轮,另一端挂合适的钩码,将纸带穿过打点计时器,固定在小车后面,调节滑轮的高度,使细绳与长木板平行;3.把小车停靠在打点计时器处,先接通电源,后放开小车;4.小车运动一段时间后,断开电源,取下纸带;5.换纸带重复三次实验,选择一条比较理想的纸带进行测量分析。1.利用纸带判断小车是否做匀变速直线运动的方法(1)沿直线运动的小车在连续相等时间间隔的不同时刻的速度分别为v1、v2、v3、v4…,若v2-v1=v3-v2=v4-v3=…,则说明小车在连续相等时间内速度的增量相等,由此说明小车在做匀变速直线运动,即a= = = =…。(2)沿直线运动的小车在连续相等时间T内的位移分别为x1、x2、x3、x4…,若Δx=x2-x1=x3-x2=x4-x3=…,则说明小车在做匀变速直线运动,且Δx=aT2。ΔΔvt1ΔΔvt2ΔΔvt四、数据处理2.速度、加速度的求解方法 说明由实验数据得出v-t图像要注意两点(1)根据表格中的v、t数据,在平面直角坐标系中仔细描点,对于每次实验,描出的几个点都大致落在一条直线上,如图所示。 (2)作一条直线,使同一次实验得到的各点尽量落到这条直线上,落不到直线上的点,应均匀分布在直线的两侧,这条直线就是本次实验的v-t图线,它是一条倾斜的直线。五、误差分析1.根据纸带测量的位移有误差。2.电源频率不稳定,造成相邻两点的时间间隔不完全相等。3.纸带运动时打点不稳定引起测量误差。4.用作图法作出的v-t图像并不是一条直线。5.木板的粗糙程度并非完全相同,这样测量得到的加速度只能是所测量段的平均加速度。六、注意事项1.平行:纸带和细绳要和木板平行。2.两先两后:实验中应先接通电源,后让小车运动;实验完毕应先断开电源,后取下纸带。3.防止碰撞:应让小车在到达长木板末端前停止运动,要防止钩码落地和小车与滑轮相撞。4.减小误差:小车的加速度要适当大些,可以减小测量长度时的误差,加速度大小以能在约50cm的纸带上清楚地取出6~7个计数点时为宜。5.纸带选取:选择一条点迹清晰的纸带,舍弃点迹密集部分,适当选取计数点。6.准确作图:在坐标纸上,纵、横轴选取合适的单位(避免所描点过密或过疏而导致误差过大),仔细描点连线,不能连成折线,应作一条直线,让各点尽量落到这条直线上,落不到直线上的各点应均匀分布在直线的两侧。考点突破考点一实验原理与数据处理1.根据纸带上两点间的位移Δx和时间Δt,算出纸带在这两点间的平均速度v= 。在要求不是很高的情况下,可以用这个平均速度粗略地表示物体在经过位移Δx内某一位置时的瞬时速度。ΔΔxt2.用图像表示速度物体运动的速度与时间的关系也可以用图像描述。以速度v为纵轴、时间t为横轴在方格纸上建立直角坐标系。根据实验中的v、t数据,在坐标系中描点。再用一条平滑曲线来“拟合”坐标系中描出的点,这条曲线反映了速度v与时间t的关系,如图所示。3.实验中计算加速度的三种方法(1)v-t图像法:先根据匀变速直线运动中,物体在某段时间的中间时刻的瞬时速度等于物体在这段时间内的平均速度,即vn= ,求出打第n个点时纸带的瞬时速度,然后作出v-t图像,图像的斜率即小车运动的加速度。(2)公式法:利用已测得的两组数据(tn,vn)和(tm,vm)代入公式a= = 求解,这种方法计算得出的结果误差较大。12nnxxTΔΔvt--mnmnvvtt(3)根据Δx=aT2求a:如图所示的纸带,相邻两点的时间间隔为T,且满足x6-x5=x5-x4=x4-x3=x3-x2=x2-x1,即a1= ,a2= ,a3= ,然后取平均值,即 = ,412-3xxT522-3xxT632-3xxTa1233aaa这样可使所给数据全部得到利用,以提高准确性。例1某同学在“用打点计时器测速度”的实验中,用打点计时器记录了被小车拖动的纸带的运动情况,在纸带上确定出A、B、C、D、E、F、G共7个计数点。相邻计数点间的距离如图所示,每两个相邻的计数点之间的时间间隔为0.1s,实验用电源频率为50Hz。(本题计算结果均保留3位有效数字)(1)在实验中,使用打点计时器时应先再(填“释放纸带”或“接通电源”)。(2)每两个计数点间还有个点没有标出。(3)试根据纸带上各个计数点间的距离,每隔0.1s测一次速度,计算出打下B、C、D三个点时小车的瞬时速度,并将各个速度值填入表中。vBvCvDvEvF数值(m/s)0.6400.721(4)将B、C、D、E、F各个时刻的瞬时速度标在下图直角坐标系中,并画出小车的瞬时速度随时间变化的关系图线。 答案(1)接通电源释放纸带(2)4(3)0.4000.4790.560(4)如解析图所示。解析(1)在实验中,使用打点计时器操作步骤应先接通电源,再释放纸带;(2)每两个计数点间还有n= -1= -1=4个点没有标出(3)根据某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度知,vB= m/s=0.400m/svC= m/s=0.479m/svD= m/s≈0.560m/sΔtT0.100.02-2(3.624.38)1020.10-2(5.204.38)1020.10-2(5.205.99)1020.10(4)速度-时间图线如图所示。 易错提醒(1)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,可统一测量出各个测量点到起始点O之间的距离。(2)读数时应估读到刻度尺最小刻度的下一位。(3)有时要每隔四个点取一个计数点,此时注意两点间的时间间隔是0.1s而不是0.02s。(4)计算某点的瞬时速度时,Δx、Δt应取此计数点前、后两个点之间的位移和时间,即v= 。12nnxxT(5)注意打出的原始的点和计数点的区别。(6)学会绘制速度-时间图像,点大致在一条直线上的用直线拟合,不能用折线,要延长一下,交到坐标轴上。图像不一定过原点。变式1打点计时器是高中物理中重要的实验仪器,如图甲、乙所示是高中物理实验中常用的两种,请回答下面的问题。甲 乙 (1)甲图是打点计时器,电源采用的是。(2)乙图是打点计时器,电源采用的是。(3)已知打点计时器所用交流电源的频率是f,用它记录一个运动小车的位移情况,打出的一条纸带和已选好的计数点0、1、2、3、4如图丙所示。某同学测量出1、2两点间的距离为x12,3、4两点间的距离为x34,由此可计算出1、2两点间的平均速度为,3、4两点间的平均速度为。答案(1)电磁6V以下交流电源(2)电火花220V交流电源(3) 解析打点周期T= ,1、2两点间和3、4两点间的时间间隔t=4T= ,故v12= = ,v34= = 。124fx344fx1f4f12xt124fx34xt344fx考点二测量速度的其他方法光电门测速原理:被测物体与遮光条相连,一旦光线被遮光条挡住,遮挡的时间间隔能被光电门测出来。根据遮光条的宽度d和测得的遮光时间Δt,就可以求出极短时间内的平均速度,这个平均速度可以认为就是所测物体运动到光电门位置的瞬时速度。图:光电门图:光电门测速原理图在光电门2位置处的瞬时速度:v2= 运动物体整个过程中的加速度:a= 或a= 注:d是挡光条宽度(窄