1、第第一一章章第第节节实验理论指导实验理论指导典题案例导析典题案例导析知能演练提升知能演练提升题型一题型一题型二题型二题型三题型三一、实验目的一、实验目的(1)(1)了解打点计时器的结构、原理及使用方法。了解打点计时器的结构、原理及使用方法。(2)(2)学会用打点计时器测量物体的速度。学会用打点计时器测量物体的速度。(3)(3)能利用能利用v vt t图像分析实验数据，描述物体的运动。图像分析实验数据，描述物体的运动。二、实验原理二、实验原理(1)(1)打点计时器的原理及使用：打点计时器的原理及使用：电火花计时器电火花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电火花计时器电火花计时器电磁
2、打点计时器电磁打点计时器工作电压工作电压220 V交流电交流电6 V交流电交流电打点方式打点方式周期性产生电火花周期性产生电火花 振针周期性上下振动振针周期性上下振动打点周期打点周期0.02 s0.02 s记录信息记录信息位移、时间位移、时间四、实验步骤四、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。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把电磁打点计时器的两个接线柱接到6 V的低压的低压交流电源上。交流电源上。(3)接通电源开关，用手水平拉动纸带，使它在
3、水平接通电源开关，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。方向上运动，纸带上就打下一系列点。三、实验器材三、实验器材 电磁打点计时器电磁打点计时器(或电火花计时器或电火花计时器)、纸带、刻度尺、纸带、刻度尺、导线、复写纸片、低压交流电源导线、复写纸片、低压交流电源(频率是频率是50 Hz50 Hz，电火花计，电火花计时器使用时器使用220 V220 V交流电源，频率也为交流电源，频率也为50 Hz)50 Hz)。(4)取下纸带，从能看得清的某个点开始，往后数出取下纸带，从能看得清的某个点开始，往后数出若干个点，如果共有若干个点，如果共有n个点，那么个点，那么n个点的间隔数
4、为个点的间隔数为n1个，则纸带的运动时间个，则纸带的运动时间t(n1)0.02 s。(5)用刻度尺测量出从开始计数的点到第用刻度尺测量出从开始计数的点到第n个点间的个点间的距离距离x。图图 141把数据填入下表，根据数据判断纸带是否做匀速运动。把数据填入下表，根据数据判断纸带是否做匀速运动。位置位置ABCDEF(xnxn1)/(m)v/(m/s)(2)利用利用vt图像分析物体的运动：图像分析物体的运动：vt图像：图像：用横轴表示时间用横轴表示时间t，纵轴表示速度，纵轴表示速度v，建立直角坐标系。根据测量的数据在坐建立直角坐标系。根据测量的数据在坐标系中描点，然后用平滑的曲线把这些标系中描点，然
5、后用平滑的曲线把这些点连接起来，即得到如图点连接起来，即得到如图142所示所示的的vt图像。图像。图图142vt图像的意义：图像的意义：vt图像非常直观地反映了速度随时间变化的情况，它图像非常直观地反映了速度随时间变化的情况，它并不是物体运动的轨迹。并不是物体运动的轨迹。图图143匀速直线运动的匀速直线运动的vt图像：图像：匀速直线运动的匀速直线运动的vt图像是与时图像是与时间轴平行的直线。间轴平行的直线。从匀速直线运动的从匀速直线运动的vt图像中不图像中不仅可以看出速度的大小，并且可以求仅可以看出速度的大小，并且可以求出位移。根据位出位移。根据位移公式移公式xvt，在，在vt图像中就对应着边
6、长分别为图像中就对应着边长分别为v0和和t0的一个矩形面积，如图的一个矩形面积，如图143中阴影的部分。中阴影的部分。六、注意事项六、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。时晃动，并要先轻轻试拉纸带，应无明显的阻滞现象。(2)使用计时器打点时，应先接通电源，待打点计时使用计时器打点时，应先接通电源，待打点计时器打点稳定后，再拉动纸带。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。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
7、确穿好，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。带穿过限位孔，压在复写纸下面。(5)使用电磁打点计时器时，如打出的点较轻或是短线，使用电磁打点计时器时，如打出的点较轻或是短线，应调整振针距复写纸的高度。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。即关闭电源。(7)对纸带进行测量时，不要分段测量各段的位移，正对纸带进行测量时，不要分段测量各段的位移，正确的做法是一次测量完毕确的做
8、法是一次测量完毕(可先统一测量出各个测量点到起可先统一测量出各个测量点到起始测量点始测量点O之间的距离之间的距离)。读数时应估读到毫米的下一位。读数时应估读到毫米的下一位。七、误差分析七、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统误差。为减小误差，应取以计数点为中心的较小位移x来求平均速度。来求平均速度。(2)分段测量计数点间的位移分段测量计数点间的位移x带来误差。减小此误差带来误差。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的方法是一次测量完成，即一次测出各计数点到
9、起始计数点点O的距离，再分别计算出各计数点间的距离。的距离，再分别计算出各计数点间的距离。(3)计数点间的时间计数点间的时间t搞错。几个计数点间的时搞错。几个计数点间的时间间隔为间间隔为t(n1)0.02 s，而非，而非tn0.02 s。(4)作作vt图像不用坐标纸、尺子，坐标单位选图像不用坐标纸、尺子，坐标单位选定的不合理，作图粗糙带来误差。定的不合理，作图粗糙带来误差。八、它案设计八、它案设计(常用测速度的方法常用测速度的方法)除用打点计时器测速度外，还可用以下的方法进行除用打点计时器测速度外，还可用以下的方法进行测量：测量：1借助传感器用计算机测速度借助传感器用计算机测速度如图如图144
10、是一种运动传感器的原理图，这个系统是一种运动传感器的原理图，这个系统由由A、B两个小盒子组成。两个小盒子组成。A盒装有红外线发射器和超声盒装有红外线发射器和超声波发射器，波发射器，B盒装有红外线接收器和超声波接收器，将盒装有红外线接收器和超声波接收器，将A盒固定在运动物体盒固定在运动物体(小车小车)上，上，B盒固定在某一位置并调整盒固定在某一位置并调整其高度与传感器其高度与传感器A等高。测量时等高。测量时A向向B同时发射一个红外同时发射一个红外图图144图图1452利用光电门测瞬时速度利用光电门测瞬时速度实验装置如图实验装置如图145所示，所示，使一辆小车从一端垫高的木板上使一辆小车从一端垫高
11、的木板上滑下，木板旁装有光电门，其中滑下，木板旁装有光电门，其中A管发出光线，管发出光线，B管接收光线。当管接收光线。当固定在车上的遮光板通过光电门固定在车上的遮光板通过光电门时，光线被阻挡，记录仪上可以直接读出光线被阻挡的时，光线被阻挡，记录仪上可以直接读出光线被阻挡的时间。这段时间就是遮光板通过光电门的时间。根据遮时间。这段时间就是遮光板通过光电门的时间。根据遮3利用频闪照相分析计算物体的速度利用频闪照相分析计算物体的速度频闪照相法是一种利用照相技术，每间隔一定时间频闪照相法是一种利用照相技术，每间隔一定时间曝光，从而形成间隔相同时间的影像的方法。在频闪照曝光，从而形成间隔相同时间的影像的
12、方法。在频闪照相中会用到频闪灯，它每隔相等时间闪光一次，例如每相中会用到频闪灯，它每隔相等时间闪光一次，例如每隔隔0.1 s闪光一次，即每秒闪光闪光一次，即每秒闪光10次。当物体运动时，利次。当物体运动时，利用频闪灯照明，照相机可以拍摄出该物体每隔相等时间用频闪灯照明，照相机可以拍摄出该物体每隔相等时间所到达的位置。通过这种方法拍摄的照片称为频闪照片。所到达的位置。通过这种方法拍摄的照片称为频闪照片。图图146图图146中是采用每秒闪光中是采用每秒闪光10次拍摄的小球沿斜面滚下的频闪次拍摄的小球沿斜面滚下的频闪照片，照片中每两个相邻小球的影照片，照片中每两个相邻小球的影像间隔的时间就是像间隔的
13、时间就是0.1 s，这样便记，这样便记录了小球运动的时间。而小球运动录了小球运动的时间。而小球运动的位移则可以用尺子量出。的位移则可以用尺子量出。与打点计时器记录的信息相比，频闪灯的闪光频与打点计时器记录的信息相比，频闪灯的闪光频率相当于打点计时器交变电源的频率，而相同时间间率相当于打点计时器交变电源的频率，而相同时间间隔出现的影像则相当于打点计时器打出的点迹。因此，隔出现的影像则相当于打点计时器打出的点迹。因此，运动物体的频闪照片既记录了物体运动的时间信息，运动物体的频闪照片既记录了物体运动的时间信息，又记录了物体运动的位移信息。至于求平均速度和瞬又记录了物体运动的位移信息。至于求平均速度和
14、瞬时速度，两者都是一样的。时速度，两者都是一样的。例例1在用打点计时器研究小车在重物牵引下运在用打点计时器研究小车在重物牵引下运动的实验中，某同学有如下操作步骤，其中错误的步动的实验中，某同学有如下操作步骤，其中错误的步骤是骤是_，有遗漏内容的步骤是，有遗漏内容的步骤是_。A拉住纸带，将小车移至靠近打点计时器处，松拉住纸带，将小车移至靠近打点计时器处，松开纸带后再接通电源开纸带后再接通电源B将打点计时器固定在平板上，并接好电路将打点计时器固定在平板上，并接好电路C把一条细绳拴在小车上，细绳跨过定滑轮下面把一条细绳拴在小车上，细绳跨过定滑轮下面悬挂适当的钩码悬挂适当的钩码D取下纸带取下纸带E放手
15、，使小车在平板上运动放手，使小车在平板上运动F将纸带固定在小车尾部，并穿过打点计时器的限位孔将纸带固定在小车尾部，并穿过打点计时器的限位孔将以上步骤完善后合理的序号排列为将以上步骤完善后合理的序号排列为_。解析解析 合理的步骤如下：合理的步骤如下：B B将打点计时器固定在平板上没有滑轮的一端，将打点计时器固定在平板上没有滑轮的一端，并接好电路并接好电路F F将纸带固定在小车尾部，并穿过打点计时器的将纸带固定在小车尾部，并穿过打点计时器的限位孔限位孔C C把一条细绳拴在小车上，细绳跨过定滑轮下面把一条细绳拴在小车上，细绳跨过定滑轮下面悬挂适当的钩码悬挂适当的钩码A A拉住纸带，将小车移至靠近打点
16、计时器处，拉住纸带，将小车移至靠近打点计时器处，接通电源接通电源E E放手，使小车在平板上运动放手，使小车在平板上运动D D断开电源，取下纸带断开电源，取下纸带 答案答案 ABABD DBFCAEDBFCAED图图1 14 47 7 例例22在做在做“用打点计时器用打点计时器测速度测速度”的实验中，某同学得的实验中，某同学得到了如图到了如图1 14 47 7所示的一条纸所示的一条纸带。图中所示数字为各点距第一点的距离，单位是带。图中所示数字为各点距第一点的距离，单位是cmcm。(1)(1)设计一个表格，将测量得到的物理量和计算出的各设计一个表格，将测量得到的物理量和计算出的各相邻两点间的平均速
17、度填入表格中。相邻两点间的平均速度填入表格中。(2)(2)判断纸带运动的性质，并说明理由。判断纸带运动的性质，并说明理由。0112233445x/m0.024 00.024 30.023 60.024 20.024 0t/s0.020.020.020.020.02v/(ms1)1.201.221.181.211.20(2)(2)根据表格数据，作出速度随时间变化的根据表格数据，作出速度随时间变化的v vt t图图像，如图所示，在误差允许的范围内，相等时间内的像，如图所示，在误差允许的范围内，相等时间内的平均速度相等，所以纸带做匀速直线运动。平均速度相等，所以纸带做匀速直线运动。答案答案 见解析见
18、解析例例3用气垫导轨和数字计时器能够更精确地测用气垫导轨和数字计时器能够更精确地测量物体的瞬时速度。如图量物体的瞬时速度。如图148所示，滑块在牵引力所示，滑块在牵引力的作用下先后通过两个光电门，配套的数字毫秒计记的作用下先后通过两个光电门，配套的数字毫秒计记录了遮光板通过第一个光电门的时间为录了遮光板通过第一个光电门的时间为t10.19 s，通，通过第二个光电门的时间为过第二个光电门的时间为t20.10 s，已知遮光板的宽，已知遮光板的宽度为度为2.8 cm，试分别求出滑块通过第一个光电门和第二，试分别求出滑块通过第一个光电门和第二个光电门时的速度大小。个光电门时的速度大小。图图148答案答案0.15 m/s0.28 m/s
