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第2课时实验:测量纸带的平均速度和瞬时速度【实验目的】1.学会用___________测量纸带的平均速度和瞬时速度。2.能利用v-t图像分析实验数据,描述物体的运动。打点计时器【实验器材】电磁打点计时器(或电火花打点计时器)、学生电源、复写纸、导线、_______、纸带、坐标纸。刻度尺【实验原理与设计】1.实验的基本思想——极限思想(微元法)。2.实验原理:(1)速度的计算:根据纸带计算平均速度:根据______可求出任意两点间的平均速度。xvt(2)位移的测量:____是纸带上两点间的距离,利用_______测量。(3)时间的测量:Δt是这两点间的_________。在Δt足够小时,我们可以认为其平均速度近似看作某点的_________。Δx时间间隔瞬时速度刻度尺【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(或把电火花计时器与220V交流电源连接,把纸带穿好,压在墨粉纸盘下面)。(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)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,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。【思考·讨论】在实验中,使用打点计时器时需要注意的问题?(科学思维)提示:(1)在使用打点计时器时,首先要注意用电安全,尤其是在使用电火花打点计时器时,特别要注意安全。(2)先接通打点计时器,然后拉动纸带。(3)使用完毕后要立刻关闭电源。二、数据收集与分析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。xvt＝。记录项实验次数点数n点划分出的间隔数n-1运动时间Δt/s位移Δx/m平均速度v/(m·s-1)122.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、x4=s4-s3…确定出OA、AB、BC、CD…之间的距离x1、x2、x3、x4…(3)A、B、C、D…各点的瞬时速度分别为23344512ABCDxxxxxxxxvvvv2T2T2T2T、、、3.用v-t图像描述物体的速度:(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。【思考·讨论】在描点画速度—时间图像时需要注意的问题?(科学思维)提示:(1)所描点的瞬时速度等于中间时刻的瞬时速度。(2)选定计时起点,并确定各点所对应的时刻及速度大小。(3)要求将所描的点用平滑的曲线连起来。【误差分析】1.实验原理不完善造成系统误差:利用平均速度来代替计数点的瞬时速度,由于位移Δx的选取会带来系统误差。2.测量、操作不够准确造成偶然误差:(1)在进行位移Δx的测量时,分段测量计数点间的位移Δx会带来偶然误差。(2)在作图时,由于坐标单位选取使得描点和连线存在偶然误差。【思考·讨论】(1)如何减小由于位移Δx的选取而带来的系统误差?(科学思维)提示:可以选择以计数点为中心的较小位移Δx来求平均速度。(2)如何减小由于位移的测量而带来的偶然误差?(科学思维)提示:①减小测量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0的距离,再分别计算出各计数点间的位移。②减小坐标单位选取的误差,是应选取合适的坐标单位,利用坐标纸作图。类型一实验原理及操作【典例1】某同学在做“小车速度随时间变化规律”的实验,细线一端与小车相连,另一端绕过定滑轮悬挂钩码,通过打点计时器和纸带记录了小车的运动情况。世纪金榜导学号(1)实验中除了电磁打点计时器(含纸带、复写纸)、小车、一端附有滑轮的长直轨道、细线、钩码、导线及开关外,在下面的器材中,必须使用的有(填选项代号)__________。A.220V、50Hz交流电源B.电压可调的直流电源C.4～6V、50Hz交流电源D.刻度尺E.秒表F.天平(2)实验过程中,下列操作正确的是__________(填选项代号)。A.将接好纸带的小车停在靠近滑轮一端B.将接好纸带的小车停在靠近打点计时器一端C.先释放小车,待小车有较大速度后再接通电源D.先接通电源,待打点稳定后再释放小车【解析】(1)电磁打点计时器使用电压为不高于6V、50Hz交流电源;处理纸带时需要用刻度尺,由于打点计时器记录了小车运动时间,因此不需要秒表,不需要天平,故需要C、D。(2)实验操作时,将接好纸带的小车停在靠近打点计时器处,先接通电源,再释放小车,故B、D正确,A、C错误。答案:(1)C、D(2)B、D类型二实验数据数据处理和误差分析【典例2】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所示,在纸带上依次选出7个计数点,分别标记为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,每相邻两计数点间时间间隔为T,打点计时器所用电源的频率是50Hz。世纪金榜导学号(1)测得C、D两点间距x4=2.70cm,DE两点间距x5=2.90cm,则根据数据计算:打D点时纸带的速度vD=______(用x4、x5、T表示),速度值vD=______m/s(保留三位有效数字)。(2)该同学分别计算出其他点对应的速度:vA=0.220m/s,vB=0.241m/s,vC=0.258m/s,vE=0.300m/s。请根据以上数据在如图所示的坐标纸上作出小车运动的v-t图像。【解析】(1)匀变速直线运动中,平均速度等于中间时刻的瞬时速度,故在D点的速度大小为因为每相邻两计数点间还有4个点,所以相邻的计数点之间的时间间隔为0.1s,故vD=0.280m/s;45Dxxv2T，(2)如图所示。答案:(1)0.280(2)图见解析45xx2T类型三实验创新【典例3】如图所示,请利用气垫导轨和光电门,设计实验方案测量计数点的瞬时速度。1.实验创新思路:改进时间的测量方法。2.实验步骤:(1)按照如图所示组装实验器材;(2)用刻度尺测量遮光条的宽度d;(3)接通电源,给滑块某一速度,让其通过光电门,数字计时器记录遮光条通过光电门的时间Δt;(4)由于时间Δt很短,遮光条通过光电门的瞬时速度等于它通过光电门的平均速度,即dvt。3.误差分析:(1)轨道要求:调节气垫导轨水平,减小滑块运动过程中的阻力。(2)时间测量的要求:数字计时器的使用,能够有效减小时间测量的误差。【创新评价】创新角度创新方案时间测量的创新利用数字计时器测量时间更加准确、方便实验器材的创新利用气垫导轨和滑块,能有效地减小实验误差