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1、第4节 科学测量：做直线运动物体的瞬时速度 【实验目的实验目的】 1.1.测量小车的瞬时速度。测量小车的瞬时速度。 2.2.判断沿斜面下滑的小车是否做匀变速直线运动。判断沿斜面下滑的小车是否做匀变速直线运动。 3.3.学习使用打点计时器。学习使用打点计时器。 【实验器材实验器材】 _(_(或电火花打点计时器或电火花打点计时器) )、_ _(_(或或220 V220 V交流电源交流电源) )、纸带、长木板、纸带、长木板( (或者或者 轨道轨道) )、U U形夹、小车、毫米刻度尺。形夹、小车、毫米刻度尺。 电磁打点计时器 电磁打点计时器 低压 低压 交流电源 交流电源 【实验原理与设计实验原理与设
2、计】 1.1.实验原理：实验原理： (1)(1)电磁打点计时器的测量原理：纸带穿过打点计时器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纸在纸带上留下一系列小点，相邻两点对应的时间为 _ s_ s。 0.020.02 (2)(2)可测物理量：相邻两点之间的距离可以用可测物理量：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，又记录了对应测量，这样打点计时器既记录了时间，又记录了对应 的的_。由此可获知物体运动的。由此可获知物体运动的_等。等
3、。 刻度尺 刻度尺 位移 位移 速度 速度 2.2.实验设计：实验设计： (1)(1)利用两种打点计时器。利用两种打点计时器。 电火花打点计时器电火花打点计时器电磁打点计时器电磁打点计时器 结构结构 图示图示 工作工作 电压电压 220 V_220 V_6 V_6 V_ 交流电交流电交流电交流电 电火花打点计时器电火花打点计时器电磁打点计时器电磁打点计时器 打点打点 方式方式 周期性产生周期性产生_振针周期性振针周期性_ 打点打点 周期周期 _ s_ s_ s_ s 记录记录 信息信息 位移、时间位移、时间 电火花电火花上下振动上下振动 0.020.020.020.02 (2)(2)利用频闪照
4、相法。利用频闪照相法。 频闪照相法：利用照相技术，每隔一定时间曝光一频闪照相法：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次，从而形成间隔相同时间的频闪照片的方法 。 频闪灯：每隔频闪灯：每隔_时间闪光一次，如每隔时间闪光一次，如每隔0.1 s0.1 s 闪光一次，即每秒闪光闪光一次，即每秒闪光1010次。次。 相等 相等 频闪照片：利用频闪灯照明，照相机可以拍摄出运频闪照片：利用频闪灯照明，照相机可以拍摄出运 动物体每隔相等动物体每隔相等_所到达的位置，通过这种方所到达的位置，通过这种方 法拍摄的照片称为频闪照片。法拍摄的照片称为频闪照片。 记录信息：物体运动
5、的时间和记录信息：物体运动的时间和_。 时间 时间 位移 位移 (3)(3)瞬时速度的求法及匀变速直线运动的判断。瞬时速度的求法及匀变速直线运动的判断。 利用平均速度利用平均速度v= v= ，当，当tt很短时，可以近似认为很短时，可以近似认为 平均速度平均速度 等于等于t t时刻的时刻的_，利用速度和，利用速度和 时间关系判断物体是否做匀变速直线运动。时间关系判断物体是否做匀变速直线运动。 利用利用s=ss=s2 2-s-s1 1=s=s3 3-s-s2 2=s=sn n-s-sn n 1 1=_ =_判断物体是判断物体是 否做匀变速直线运动。否做匀变速直线运动。 s t s t 瞬时速度 瞬
6、时速度 aTaT2 2 【实验过程实验过程】 一、实验步骤一、实验步骤 1.1.将打点计时器固定在长木板的一端，并用垫片垫高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。此端，使木板倾斜。 2.2.连接好打点计时器的电路连接好打点计时器的电路( (注意此过程中要断开开关注意此过程中要断开开关 ) )。 3.3.将纸带穿过打点计时器，连接在小车后面，并使小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。车靠近打点计时器。 4.4.闭合电路开关，稍后（打点稳定后）释放小车，打闭合电路开关，稍后（打点稳定后）释放小车，打 完纸带后立即关闭电源完纸带后立即关闭电源 。
7、 5.5.更换纸带，重复操作三次。更换纸带，重复操作三次。 6.6.选择一条点迹最清晰的纸带，舍掉开头一些过于密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，选择相隔集的点，找一适当的点作为开始点，选择相隔0.1 s0.1 s的的 若干个计数点进行长度测量，并将数据填入设计好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。表格中。 【思考思考讨论讨论】 (1)(1)利用电火花打点计时器应注意哪些问题？为什么采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？用电火花打点计时器？ ( (科学探究科学探究) ) 提示：提示：使用时，墨粉纸盘
8、套在纸盘轴上，把纸带穿过使用时，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，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。实验误差也比较小。 (2)(2)开始实验时对小车和打点计时器有什么要求？开始实验时对小车和打点计时器有什么要求？( ( 科学探究科学探究) ) 提示：提示：开始释放小车时，应使小车靠近打点计时器。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。先接通电源，等打点稳定后，再释放小车。 二、数据收集与分析二、数据收集与分析 1.1.用逐差法求加速度以取六个间隔为例，则用逐差法求加速度以取六个
9、间隔为例，则 加速度的平均值为加速度的平均值为 a= (aa= (a1 1+a+a2 2+a+a3 3) ) = = = (s= (s4 4+s+s5 5+s+s6 6)-(s)-(s1 1+s+s2 2+s+s3 3) 526341 123 222 ssssss aaa 3T3T3T ， ， 。 1 3 526341 222 ssssss1 () 33T3T3T 2 1 9T 逐差法处理数据求加速度的平均值，好处是各个数据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。，使
10、计算结果更接近真实值。 2.2.用用v-tv-t图像求加速度：图像求加速度： (1)(1)在纸带中选择一条最清晰的，舍掉开头一些比较密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，通常选择相隔了测量方便和减小误差，通常选择相隔0.1 s0.1 s的若干计的若干计 数点进行测量，在选好的第一个点下面标明数点进行测量，在选好的第一个点下面标明0 0，在第六，在第六 个点下面标个点下面标1 1，在第十一个点的下面标，在第十一个点的下面标2 2，依此类推，依此类推， 每隔每隔4 4个点下
11、面计一个数，这些标数字的点叫作计数点个点下面计一个数，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。如图所示，测出两相邻计数点的距离分别为s s1 1、s s2 2、 s s3 3填入表中。填入表中。 位置间隔位置间隔0 01 11 12 22 23 33 34 44 45 5 间隔距离间隔距离s/ms/m (2)(2)根据测量结果，再利用匀变速直线运动的瞬时速度根据测量结果，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，也就是的平均速度来求解，也就是v vn n= =
12、，可求出打第，可求出打第n n个个 计数点时纸带的瞬时速度，并将瞬时速度的值填入表计数点时纸带的瞬时速度，并将瞬时速度的值填入表 中。中。 nn1 ss 2T 位置编号位置编号1 12 23 34 4 时间时间t/st/s 速度速度 v/msv/ms-1 -1 (3)(3)用横坐标表示时间用横坐标表示时间T T、纵坐标表示瞬时速度、纵坐标表示瞬时速度v v，在坐，在坐 标平面上标出标平面上标出(T(T，v v1 1) )、(2T(2T，v v2 2) )、各点，把这些点各点，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
13、率就可求得物体的加速度。像，从此直线的斜率就可求得物体的加速度。 【误差分析误差分析】 误差误差产生原因产生原因减小方法减小方法 偶然偶然 误差误差 纸带上计数点间隔纸带上计数点间隔 距离的测量距离的测量 v-tv-t图线作出的并非图线作出的并非 一条直线一条直线 多次测量求平均值多次测量求平均值 大多数点在线上，大多数点在线上， 不在线上的点尽可能不在线上的点尽可能 分布在线的两侧分布在线的两侧 系统系统 误差误差 小车、纸带运动过小车、纸带运动过 程中有摩擦程中有摩擦 电源的不稳定性电源的不稳定性 使用电火花打点计使用电火花打点计 时器时器 使用稳压电源使用稳压电源 【思考思考讨论讨论】
14、(1)(1)实验结束后，如何选取纸带？实验结束后，如何选取纸带？( (科学探究科学探究) ) 提示：提示：选取一条点迹清晰的纸带为研究对象。选取一条点迹清晰的纸带为研究对象。 (2)(2)如何根据纸带判断物体是匀速运动，还是匀变速直如何根据纸带判断物体是匀速运动，还是匀变速直 线运动？线运动？( (科学思维科学思维) ) 提示：提示：若点与点之间的距离相等，就可判断物体做匀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。是匀变速直线运动。 类型一 实验操作类型一 实验操作 【典例典例1 1
15、】(2019(2019莆田高一检测莆田高一检测)(1)(1)在练习使用打点在练习使用打点 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 源频率为源频率为50 Hz50 Hz，其中，其中“电磁打点计时器电磁打点计时器”使用的电压使用的电压 是是_V_V的的_(_(选填选填“直流电直流电”或或“交流电交流电”) ) ，它们是每隔，它们是每隔_s_s打一个点。打一个点。 世纪金榜导学号世纪金榜导学号 (2)(2)接通打点计时器电源和让纸带开始运动，这两个操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作之间的时间顺序关系是_。 A
16、.A.先接通电源，再让纸带运动先接通电源，再让纸带运动 B.B.先让纸带运动，再接通电源先让纸带运动，再接通电源 C.C.让纸带运动的同时接通电源让纸带运动的同时接通电源 D.D.先让纸带运动或先接通电源都可以先让纸带运动或先接通电源都可以 【解题探究解题探究】 (1)(1)打点计时器是一打点计时器是一种种_仪器，其电源频率为仪器，其电源频率为 50 Hz50 Hz，常用的电磁打点计时器和电火花打点计时器，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，它们是每隔使用的是交流电，它们是每隔_打一个点。打一个点。 (2)(2)使用时应先给打点计时器使用时应先给打点计时器_打点，然后释放打
17、点，然后释放 _让纸带运动。让纸带运动。 计时计时 0.02 s0.02 s 通电通电 纸带纸带 【解析解析】(1)(1)电源频率为电源频率为50 Hz50 Hz，其中，其中“电磁打点计时电磁打点计时 器器”使用的电压是使用的电压是4 46 V6 V的交流电，它是每隔的交流电，它是每隔0.02 s0.02 s 打一个点。打一个点。 (2)(2)开始记录时，应先给打点计时器通电打点，然后释开始记录时，应先给打点计时器通电打点，然后释 放纸带让纸带放纸带让纸带( (随物体随物体) )开始运动，如果先放开纸带开开始运动，如果先放开纸带开 始运动，再接通打点计时器的电源，由于重物运动较始运动，再接通打
18、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，故选项高纸带利用率，可以使纸带上打满点，故选项B B、C C、D D 错误，错误，A A正确。正确。 答案：答案：(1)4(1)46 6 交流电 交流电 0.020.02 (2)A(2)A 类型二 数据处理类型二 数据处理 【典例典例2 2】某同学利用图甲所示的实验装置，探究物块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
19、块在重物的牵引下开始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 ( (尚未到达滑轮处尚未到达滑轮处) )。从纸带上便于测量的点开始，每。从纸带上便于测量的点开始，每5 5 个点取个点取1 1个计数点，相邻计数点间的距离如图乙所示。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打点计时器电源的频率为50 Hz50 Hz。世纪金榜导学号世纪金榜导学号 (1)(1)通过分析纸带数据，可判断物块在两相邻计数点通过分析纸带数据，可判断物块在两相邻计数点 _和和_之间某时刻开始减速。之间某时
20、刻开始减速。 (2)(2)计数点计数点5 5对应的速度大小为对应的速度大小为_m/s_m/s，计数点，计数点6 6对对 应的速度大小为应的速度大小为_m/s_m/s。( (保留三位有效数字保留三位有效数字) ) (3)(3)物块减速运动过程中加速度的大小为物块减速运动过程中加速度的大小为 a=_m/sa=_m/s2 2。 【解析解析】(1)(1)由于计数点由于计数点6 6之前相邻计数点之间距离之之前相邻计数点之间距离之 差约为差约为2 cm2 cm，而计数点，而计数点6 6、7 7之间的距离比计数点之间的距离比计数点5 5、6 6 之间的距离多之间的距离多1.27 cm1.27 cm，故可判断
21、物块在相邻计数点，故可判断物块在相邻计数点6 6 和和7 7之间某时刻开始减速。之间某时刻开始减速。 (2)(2)计数点计数点5 5对应的速度对应的速度 v v5 5= m/s=1.00 m/s= m/s=1.00 m/s。 物块做加速运动时加速度大小物块做加速运动时加速度大小 a a加 加= m/s = m/s2 2=2.00 m/s=2.00 m/s2 2。 v v6 6=v=v5 5+a+a加 加T=1.20 m/s T=1.20 m/s。 2 46 s(9.00 11.01) 10 2T2 0.1 2 22 s2.00 10 T0.1 加 (3)(3)物块做减速运动时的加速度大小为物块
22、做减速运动时的加速度大小为 a= m/sa= m/s2 2=2.00 m/s=2.00 m/s2 2。 答案：答案：(1)6(1)6 7(7(或或7 7 6)6) (2)1.00(2)1.00 1.201.20 (3)2.00(3)2.00 2 22 s2 10 T0.1 【规律方法规律方法】 数据处理技巧数据处理技巧 (1)(1)在数据处理过程中，常用在数据处理过程中，常用 求解某点的瞬时求解某点的瞬时 速度。速度。 (2)(2)利用利用v-tv-t图像求解加速度图像求解加速度a a时，图像上的两点间隔要时，图像上的两点间隔要 适当大一些。适当大一些。 t 2 s vv t 类型三 实验创新
23、类型三 实验创新 【典例典例3 3】如图甲所示，桌面水平，用手轻推一下小车如图甲所示，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，使小车做匀减速运动。过程中，图乙记录了桌面上 连续连续6 6个水滴的位置。个水滴的位置。( (已知滴水计时器每已知滴水计时器每30 s30 s内共滴内共滴 下下4646个小水滴个小水滴) )设计实验方案，探究小车做什么运动，设计实验方案，探究小车做什么运动， A A点的速度是多大，加速度多大。点的速度是多大，加速度多大。世纪金榜导学号世纪金榜导学号 1.1.实验创新思路：实验创新思路： (1)(1)改进了计时仪器。改进了计时仪器。 (
24、2)(2)改进了时间计算方法。改进了时间计算方法。 2.2.实验步骤：实验步骤： (1)(1)用手轻推一下小车，小车做用手轻推一下小车，小车做_运动。运动。 (2)(2)记录滴水计时器每记录滴水计时器每30 s30 s内共滴内共滴N N个小水滴。个小水滴。 (3)(3)如图乙记录了桌面上连续如图乙记录了桌面上连续6 6个水滴的位置，并附有个水滴的位置，并附有 毫米刻度尺。毫米刻度尺。 减速 减速 (4)(4)计算相邻两点时间间隔计算相邻两点时间间隔T= sT= s (5)(5)根据匀变速直线运动中时间中点的速度等于该过程根据匀变速直线运动中时间中点的速度等于该过程 中的中的_。 (6)(6)根
25、据匀变速直线运动的推论公式根据匀变速直线运动的推论公式_可以可以 求出加速度的大小。求出加速度的大小。 平均速度 平均速度 s=aTs=aT2 2 30 N 3.3.误差分析：误差分析： (1)(1)测量时间时，测量时间时，_多数或少数。多数或少数。 (2)(2)测量长度时，操作测量长度时，操作_。 水滴数 水滴数 不规范 不规范 【创新评价创新评价】 创新角度创新角度创新方法创新方法 计时仪器创新计时仪器创新用滴水针头滴水代替打点计时器用滴水针头滴水代替打点计时器 实验生活化实验生活化 用生活常用物品来做实验，更贴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，近生活，增强学习物理的兴趣， 提升学科素养提升学科素养