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第4节科学测量：做直线运动物体的瞬时速度【实验目的】1.测量小车的瞬时速度。2.判断沿斜面下滑的小车是否做匀变速直线运动。3.学习使用打点计时器。【实验器材】___________________(或电火花打点计时器)、__________________(或220V交流电源)、纸带、长木板(或者轨道)、U形夹、小车、毫米刻度尺。电磁打点计时器低压交流电源【实验原理与设计】1.实验原理：(1)电磁打点计时器的测量原理：纸带穿过打点计时器在物体带动下运动时，上下振动的振针便会通过复写纸在纸带上留下一系列小点，相邻两点对应的时间为_________s。0.02(2)可测物理量：相邻两点之间的距离可以用_________测量，这样打点计时器既记录了时间，又记录了对应的_________。由此可获知物体运动的_________等。刻度尺位移速度2.实验设计：(1)利用两种打点计时器。电火花打点计时器电磁打点计时器结构图示工作电压220V_______6V_______交流电交流电电火花打点计时器电磁打点计时器打点方式周期性产生_______振针周期性_________打点周期_____s_____s记录信息位移、时间电火花上下振动0.020.02(2)利用频闪照相法。①频闪照相法：利用照相技术，每隔一定时间曝光一次，从而形成间隔相同时间的频闪照片的方法。②频闪灯：每隔_________时间闪光一次，如每隔0.1s闪光一次，即每秒闪光10次。相等③频闪照片：利用频闪灯照明，照相机可以拍摄出运动物体每隔相等_________所到达的位置，通过这种方法拍摄的照片称为频闪照片。④记录信息：物体运动的时间和_________。时间位移(3)瞬时速度的求法及匀变速直线运动的判断。①利用平均速度v=，当Δt很短时，可以近似认为平均速度等于t时刻的_____________，利用速度和时间关系判断物体是否做匀变速直线运动。②利用Δs=s2-s1=s3-s2=…=sn-sn－1=_______判断物体是否做匀变速直线运动。stst瞬时速度aT2【实验过程】一、实验步骤1.将打点计时器固定在长木板的一端，并用垫片垫高此端，使木板倾斜。2.连接好打点计时器的电路(注意此过程中要断开开关)。3.将纸带穿过打点计时器，连接在小车后面，并使小车靠近打点计时器。4.闭合电路开关，稍后（打点稳定后）释放小车，打完纸带后立即关闭电源。5.更换纸带，重复操作三次。6.选择一条点迹最清晰的纸带，舍掉开头一些过于密集的点，找一适当的点作为开始点，选择相隔0.1s的若干个计数点进行长度测量，并将数据填入设计好的表格中。【思考·讨论】(1)利用电火花打点计时器应注意哪些问题？为什么采用电火花打点计时器？(科学探究)提示：使用时，墨粉纸盘套在纸盘轴上，把纸带穿过限位孔。这种计时器纸带运动时受到的阻力比较小，实验误差也比较小。(2)开始实验时对小车和打点计时器有什么要求？(科学探究)提示：开始释放小车时，应使小车靠近打点计时器。先接通电源，等打点稳定后，再释放小车。二、数据收集与分析1.用逐差法求加速度以取六个间隔为例，则加速度的平均值为a=(a1+a2+a3)==[(s4+s5+s6)-(s1+s2+s3)]526341123222ssssssaaa3T3T3T＝，＝，＝。13526341222ssssss1()33T3T3T＋＋219T逐差法处理数据求加速度的平均值，好处是各个数据都得到了利用，达到正、负偶然误差充分抵消的作用，使计算结果更接近真实值。2.用v-t图像求加速度：(1)在纸带中选择一条最清晰的，舍掉开头一些比较密集的点迹，在后边便于测量的地方找一个开始点，为了测量方便和减小误差，通常选择相隔0.1s的若干计数点进行测量，在选好的第一个点下面标明0，在第六个点下面标1，在第十一个点的下面标2，依此类推，每隔4个点下面计一个数，这些标数字的点叫作计数点。如图所示，测出两相邻计数点的距离分别为s1、s2、s3…填入表中。位置间隔0～11～22～33～44～5间隔距离s/m(2)根据测量结果，再利用匀变速直线运动的瞬时速度的求解方法，即中间时刻的瞬时速度可以用这段时间内的平均速度来求解，也就是vn=，可求出打第n个计数点时纸带的瞬时速度，并将瞬时速度的值填入表中。nn1ss2T＋＋位置编号1234时间t/s速度v/m·s-1(3)用横坐标表示时间T、纵坐标表示瞬时速度v，在坐标平面上标出(T，v1)、(2T，v2)、…各点，把这些点连接起来可画出一条直线，它就是物体运动的速度图像，从此直线的斜率就可求得物体的加速度。【误差分析】误差产生原因减小方法偶然误差①纸带上计数点间隔距离的测量②v-t图线作出的并非一条直线①多次测量求平均值②大多数点在线上，不在线上的点尽可能分布在线的两侧系统误差①小车、纸带运动过程中有摩擦②电源的不稳定性①使用电火花打点计时器②使用稳压电源【思考·讨论】(1)实验结束后，如何选取纸带？(科学探究)提示：选取一条点迹清晰的纸带为研究对象。(2)如何根据纸带判断物体是匀速运动，还是匀变速直线运动？(科学思维)提示：若点与点之间的距离相等，就可判断物体做匀速运动，若连续相等时间内位移的变化量是恒量，就是匀变速直线运动。类型一实验操作【典例1】(2019·莆田高一检测)(1)在练习使用打点计时器的实验中，打点计时器是一种计时仪器，其电源频率为50Hz，其中“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。世纪金榜导学号(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【解题探究】(1)打点计时器是一种_____仪器，其电源频率为50Hz，常用的电磁打点计时器和电火花打点计时器使用的是交流电，它们是每隔_______打一个点。(2)使用时应先给打点计时器_____打点，然后释放_____让纸带运动。计时0.02s通电纸带【解析】(1)电源频率为50Hz，其中“电磁打点计时器”使用的电压是4～6V的交流电，它是每隔0.02s打一个点。(2)开始记录时，应先给打点计时器通电打点，然后释放纸带让纸带(随物体)开始运动，如果先放开纸带开始运动，再接通打点计时器的电源，由于重物运动较快，不利于数据的采集和处理，会对实验产生较大的误差；同样先打点再释放纸带，可以使打点稳定，提高纸带利用率，可以使纸带上打满点，故选项B、C、D错误，A正确。答案：(1)4～6交流电0.02(2)A类型二数据处理【典例2】某同学利用图甲所示的实验装置，探究物块在水平桌面上的运动规律。物块在重物的牵引下开始运动，重物落地后，物块再运动一段距离停在桌面上(尚未到达滑轮处)。从纸带上便于测量的点开始，每5个点取1个计数点，相邻计数点间的距离如图乙所示。打点计时器电源的频率为50Hz。世纪金榜导学号(1)通过分析纸带数据，可判断物块在两相邻计数点_______和_______之间某时刻开始减速。(2)计数点5对应的速度大小为_______m/s，计数点6对应的速度大小为_______m/s。(保留三位有效数字)(3)物块减速运动过程中加速度的大小为a=_______m/s2。【解析】(1)由于计数点6之前相邻计数点之间距离之差约为2cm，而计数点6、7之间的距离比计数点5、6之间的距离多1.27cm，故可判断物块在相邻计数点6和7之间某时刻开始减速。(2)计数点5对应的速度v5=m/s=1.00m/s。物块做加速运动时加速度大小a加=m/s2=2.00m/s2。v6=v5+a加T=1.20m/s。246s(9.0011.01)102T20.1＋＝222s2.0010T0.1加＝(3)物块做减速运动时的加速度大小为a=m/s2=2.00m/s2。答案：(1)67(或76)(2)1.001.20(3)2.00222s210T0.1＝【规律方法】数据处理技巧(1)在数据处理过程中，常用求解某点的瞬时速度。(2)利用v-t图像求解加速度a时，图像上的两点间隔要适当大一些。t2svvt＝类型三实验创新【典例3】如图甲所示，桌面水平，用手轻推一下小车，使小车做匀减速运动。过程中，图乙记录了桌面上连续6个水滴的位置。(已知滴水计时器每30s内共滴下46个小水滴)设计实验方案，探究小车做什么运动，A点的速度是多大，加速度多大。世纪金榜导学号1.实验创新思路：(1)改进了计时仪器。(2)改进了时间计算方法。2.实验步骤：(1)用手轻推一下小车，小车做_________运动。(2)记录滴水计时器每30s内共滴N个小水滴。(3)如图乙记录了桌面上连续6个水滴的位置，并附有毫米刻度尺。减速(4)计算相邻两点时间间隔T=s(5)根据匀变速直线运动中时间中点的速度等于该过程中的_____________。(6)根据匀变速直线运动的推论公式___________可以求出加速度的大小。平均速度Δs=aT230N3.误差分析：(1)测量时间时，___________多数或少数。(2)测量长度时，操作___________。水滴数不规范【创新评价】创新角度创新方法计时仪器创新用滴水针头滴水代替打点计时器实验生活化用生活常用物品来做实验，更贴近生活，增强学习物理的兴趣，提升学科素养