第4节 实验：用打点计时器测量小车的速度

第4节实验：用打点计时器测量小车的速度一、本版教材实验理清楚

实验目的1．了解打点计时器的结构、工作原理及使用方法。2．学会用打点计时器测量小车的速度。3．能利用实验数据描绘小车的v-t图像，描述分析小车的运动。

实验原理1．两种打点计时器的对比

电磁打点计时器电火花打点计时器结构图示工作电压约为6V交流电220V交流电打点方式振针周期性上、下振动周期性产生电火花打点周期0.02s(使用50Hz交流电)记录信息运动物体的位移大小、时间

实验器材电磁打点计时器(或电火花打点计时器)、低压交流电源(电火花计时器使用220V交流电源)、复写纸(或墨粉纸盘)、导线若干、刻度尺、纸带、坐标纸。

实验步骤1．了解打点计时器的构造，然后把它固定好。2．把电磁打点计时器的两个接线柱用导线与约为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(或把电火花打点计时器与220V交流电源连接，把纸带穿好，压在墨粉纸盘下面)。3．接通电源开关，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个点的运动时间为Δt＝0.02(n－1)s。6．用刻度尺测量出第1个点到第n个点间的位移Δx。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)1

2

3．绘制v-t图像(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，如图所示。

误差分析1．利用平均速度来代替运动物体在某计数点的瞬时速度会带来系统误差。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．分段测量计数点间的位移会带来误差。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位移。3．作图时，描点、连线存在偶然误差，为减小误差，应选取合适的坐标单位，利用坐标纸作图。二、他版教材实验多融通(一)鲁科版教材实验方案

[差异解读]1．实验原理的不同

光电门A端安装发光装置，B端安装接收装置并与光电计时器连接。一旦光线被遮光板C遮挡，遮挡的时间便能被光电计时器测出。由于遮光板宽度较小，遮光的时间极短，根据遮光板宽度和测得的遮光时间，求出遮光板经过光电门这一极短时间内的平均速度大小，可近似认为这就是遮光板运动到光电门时的瞬时速率。2．实施器材的改进(1)用气垫导轨替代长木板。(2)用光电计时器替代打点计时器。3．实验误差的缩小(1)光电计时器计时准确。(2)选用遮光板宽度较小，Δt时间内的平均速度更接近遮光板运动到光电门时的瞬时速度。(二)粤教版教材实验方案

1．测量沿斜面运动小车的瞬时速度。2．数字计时器[差异解读]1．实验原理的不同

数字计时器测速度的原理：当宽度一定的物体通过光电门时，光线被遮挡，数字计时器开始计时；当物体离开光电门时，数字计时器停止计时，这样就可以记录物体遮挡一个光电门光线的短暂时间，数字计时器还可以记录物体经过两个光电门之间的时间以及测量物体运动的瞬时速度和平均速度。2．实验器材的改进(1)测量沿斜面运动小车的瞬时速度时，小车沿斜面加速下滑的动力是小车重力沿斜面向下的分力。(2)数字计时器既可以记录物体经过光电门的时间，也可以记录物体经过两光电门之间的时间。[典例]

(1)在做用打点计时器测速度的实验时，要用到打点计时器，打点计时器是一种计时仪器，其电源频率为50Hz，常用的“电磁打点计时器”使用的电源是

V的

(选填“直流电”或“交流电”)，它每隔

s打一个点。(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实验原理与操作(3)用打点计时器测定物体的速度，当电源频率低于50Hz时，如果仍按50Hz的频率计算，则测出的速度数值将比物体的真实数值________(选填“偏大”或“偏小”)。[答案]

(1)6交流电0.02

(2)A

(3)偏大实验操作的三点注意(1)电磁打点计时器需要约为6V的低压交流电源，电火花打点计时器需要220V的交流电源。(2)使用打点计时器时要注意先接通电源，待打点稳定后再释放纸带。(3)选择纸带时要注意选取“点迹清晰，间隔适量”的部分进行测量。

[典例]如图所示是一条利用电源频率为50Hz工作的打点计时器打出的纸带，0、1、2、3、4、5、6是七个计数点，每相邻两个计数点之间还有四个计时点未画出，测得各计数点到0点的距离已在图上标出，求计数点1、2、3、4、5的瞬时速度并画出v-t图像。数据处理和误差分析[解析]计数点0和2间的平均速度约等于计数点1的瞬时速度，同理2、3、4、5点的瞬时速度也可求出。注意相邻计数点间的时间间隔T＝0.1s。各计数点的瞬时速度分别为：v1＝0.195m/s，v2＝0.40m/s，v3＝0.61m/s，v4＝0.69m/s，v5＝0.70m/s，再以0点为坐标原点建立直角坐标系，横坐标表示时间，纵坐标表示速度，在直角坐标系中描点，然后连线得到v-t图像如图所示。[答案]见解析1.(实验器材的创新)用气垫导轨和数字计时器能更精确地测量物体的瞬时速度。如图所示，滑块在牵引力作用下先后通过两个光电门，配套的数字计时器记录了遮光条通过第一个光电门的时间为Δt1＝0.29s，通过第二个光电门的时间为Δt2＝0.11s，已知遮光条的宽度为3.0cm，则滑块通过第一个光电门的速度为

____m/s，通过第二个光电门的速度为

m/s。(结果均保留两位有效数字)创新考查角度和创新思维答案：0.10

0.272．(实验器材的创新)让小球从斜面的顶端滚下，如图所示是用闪

光照相机拍摄的小球在斜面上运动的一段过程，已知闪频为

10Hz，且O点是0.4s时小球所处的位置，试根据此图估算： (1)小球从O点到B点的平均速度大小； (2)小球在A点和B点的瞬时速度大小。答案：(1)0.8m/s

(2)0.8m/s

1.0m/s1．(多选)关于打点计时器的原理和使用方法，下列说法中正确的是

(

)A．打点计时器应接交流电源，交流电源频率通常为50HzB．如果纸带上相邻两个计数点之间有四个点，则相邻两个计数点间的时间间隔是0.08sC．如果打点计时器在纸带上打下的点先密集后稀疏，则说明纸带的速度由小变大D．电磁打点计时器接在220V交流电源上，电火花打点计时器接在6V交流电源上解析：打点计时器使用交流电，电磁打点计时器使用6V的低压交流电源；电火花打点计时器使用220V交流电源，相邻两计数点之间有四个点，则时间间隔是0.1s。答案：AC

2．如图所示是某同学在做测量纸带的平均速度和瞬时速度实验中获得的一条纸带。(1)已知打点计时器使用电源的频率为50Hz，则纸带上打相邻两点的时间间隔为

。(2)A、B、C、D是纸带上的四个计数点，每两个相邻计数点间有四个点没有画出。从图中读出A、B两点间距x＝

cm，C点对应的速度是

m/s(结果保留三位有效数字)。答案：(1)0.02s

(2)0.70(0.68～0.72均可)

0.1003．用打点计时器可测纸带运动的时间和位移。下面是没有按操作顺序写的不完整的实验步骤，按照你对实验的理解，在各步骤空白处填上适当的内容，然后按实际操作的合理顺序，将各步骤的字母代号按顺序写在空白处。A．在电磁打点计时器的两接线柱上分别接上导线，导线的另一端分别接在低压

(选填“交流”或“直流”)电源的两个接线柱上。B．把电磁打点计时器固定好，让纸带穿过

，并压在

下面。C．用刻度尺测量从计时开始的打点到最后一个打点间的距离Δx。解析：A项中电磁打点计时器应使用低压交流电源；B项中应将纸带穿过电磁打点计时器的限位孔，并压在复写纸的下面；D项中纸带上记录的时间Δt＝(n－1)×0.02s。合理的实验步骤为BAEDCF。答案：交流限位孔复写纸(n－1)×0.02s

BAEDCF4．光电计时器是一种研究物体运动情况的常用计时仪器，其结构如图甲所示，a、b分别是光电门的激光发射和接收装置，当有物体从a、b间通过时，光电计时器就可以显示物体的挡光时间。现利用图乙所示装置测量滑块的速度，图中MN是水平桌面，Q是木板与桌面的接触点，1和2是固定在木板上适当位置的两个光电门，与之连接的两个光电计时器没有画出。实验时，让滑块从木板的顶端滑下，光电门1、2各自连接的光电计时器显示的挡光时间分别为1.0×10－2s和4.0×10－3s。滑块的宽度d＝1.010cm。(1)滑块通过光电门1时的速度v1＝

m/s，滑块通过光电门2时的速度v2＝

m/s(结果保留两位有效数字)。(2)由此测得的瞬时速度v1和v2只是一个近似值，它们实质上是滑块通过光电门1和2时的

，要使瞬时速度的测量值更接近于真实值，可将滑块的宽度

一些。答案：(1)1.0

2.5

(2)平均速度减小5．(1)电磁打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器，根据打点计时器打出的纸带，我们可以从纸带上直接得到的物理量是

(

)A．时间间隔

B．位移大小C．平均速度

D．瞬时速度(2)关于打点计时器的使用说法正确的是

(

)A．电磁打点计时器使用的是10V以下的直流电源B．在测量物体速度时，先让物体运动，后接通打点计时器的电源

C．使用的电源频率越高，打点的时间间隔就越小D．纸带上打的点越密，说明物体运动的越快(3)在“测量纸带的平均速度和瞬时速度”的实验中，某同学选出了一条清晰的纸带，如图所示，A、B、C、D、E、