§1.4 實驗:用打點計時器測速度
一、三維目標
知識與技能
1. 瞭解打點計時器的計時原理,理解紙帶中包含的物體運動的信息(時間和位移)
2. 會安裝並使用打點計時器,理解利用紙帶測量速度的原理並會測量瞬時速度
3. 明確速度—時間圖象的物理意義,描點法畫圖象的方法,並畫出該實驗的速度—時間圖象
過程與方法
1. 通過學生自己看打點計時器的說明書,培養學生獨立學習的能力
2. 通過實驗得出物體的運動信息,用數學的方法表述出來.培養學生獲取信息處理信息的能力,體會處理問題的方法,領悟如何間接測量一些不能直接測量的物理量的方法
3. 通過畫速度—時間圖象培養學生用圖象法處理數據的能力,體驗數學工具在物理發展中的作用
4. 體驗實驗中理性思維的重要,即要動手,又要動腦
5. 經歷科學探究過程認識科學探究的意義,嘗試應用科學探究的方法研究物體的運動
情感態度價值觀
1. 感受打點計時器的巧妙設計思路,體會物理原理在解決實際問題中的指導作用,增強將物理知識應用於實際生活的意識
2. 經歷實驗過程,體驗科學實驗過程的艱辛與喜悅,並樂於探索自然界的奧秘
3. 體驗用圖象方法描述物理現象的樂趣,培養學生用數學方法處理物理問題的意識
4. 培養學生的交流與合作精神,有將自己的見解與他人交流的願望,並養成尊重他人的習慣
二、教學重點
1. 學會使用打點計時器
2. 能根據紙帶計算物體運動的瞬時速度
3. 會用描點法描繪物體的速度—時間圖象,並從中獲取物理信息
三、教學難點
處理紙帶的方法,用描點法畫圖象的能力
教具準備
課件 投影儀 幻燈片
課時安排
2課時
第1課時
四、教學設計
[新課導入]（5分鐘）
測定物體的運動速度並不是一件容易的事,特別是物體的速度在不斷變化時.為瞭簡化我們今天隻研究物體的直線運動.當物體沿直線運動時,其位移在不斷變化,要研究物體的運動,我們首先要準確記錄物體的運動信息.怎樣記錄呢?
課堂活動
請同桌的兩位同學合作用彩筆和紙帶模擬打點計時器.
思考1. 彩筆打出的點能不能準確記錄紙帶的位置?
2. 在打點時間間隔大致相同的情況下,紙帶拉動的快慢對紙帶上點的間隔有無影響?
學生討論:
總結:彩筆打出的點可以記錄紙帶的位置.但在打點時間間隔大致相同的情況下,紙帶拉動的快慢對紙帶上點的間隔有影響(拉的越慢紙帶上點越密,反之就會越稀疏)考慮到用手打點的時間間隔不能準確相等,所以無法準確測定物體的運動速度.原因在哪?
生: 原因出在用手打點時的時間間隔不能嚴格相等,要是有一臺打點時間間隔嚴格相等的儀器問題就可以解決瞭.
新課教學（25分鐘）
師:我們今天要介紹的打點計時器就是可以精確記錄時間間隔和位移的儀器.
一 電磁打點計時器
1．振片 2。線圈3。永久磁鐵 4。振針 5。紙帶 6。限位孔 7。復寫紙
佈置學生閱讀打點計時器的說明書:明確打點計時器的結構,個部分的名稱,工作原理及使用方法.
總結:電磁打點計時器是一種使用交流電的計時儀器.工作電壓為4—6V.當電源頻率為50Hz時, 打點計時器每隔0.02s打一個點.通電前把紙帶穿過限位孔並壓在復寫紙的下面.通電時,線圈產生的交變磁場使振動片磁化,振動片的一端位於永久磁鐵的磁場中,由於振動片的磁極隨著電流方向的改變而不斷變化,在永久磁鐵的作用下,振動片將上下振動.其振動周期與線圈中交流電的周期一致,即為0.02s.如果紙帶運動振動片一端的振針就會在紙帶上打出一系列的點.
思考:電磁打點計時器用低壓交流電源工作,能不能用直流電源呢,為什麼?
總結:電磁打點計時器的工作原理是靠交流電的方向改變來改變電磁鐵的磁極方向,從而使振動片上下振動的,且振動片的頻率與交流電的頻率一致.若使用50Hz的交流電打點周期正好是頻率的倒數為0.02s.若使用直流電振動片將無法振動, 打點計時器將打不出點!
二 電火花打點計時器
佈置學生閱讀打點計時器的說明書:明確打點計時器的結構,個部分的名稱,工作原理及使用方法.
總結:電火花打點計時器可以代替電磁打點計時器使用.與電磁打點計時器不同的是:電火花打點計時器的工作電壓是220V的交流電.使用時將電源插頭直接插在交流220V插座內就可以瞭.點火花打點計時器用墨粉和電火花打點.墨粉盤夾在兩條紙帶之間,當按下脈沖輸出開關時會產生高溫電火花,高溫電火花可以使墨粉汽化在紙帶上.當輸入交流電的頻率是50Hz時,電火花打點計時器也每隔0.02s打一個點.實驗是紙帶的兩面可以重復使用,註意降低實驗成本.
三 練習使用打點計時器
學生自主閱讀教材中的實驗步驟提示
使用打點計時器：
1． 瞭解打點計時器的結構，然後把它固定在桌子上。
2． 把紙帶裝好。
3． 啟動電源用手拉動紙帶，紙帶上就打出一行小點，隨後關閉電源。
4． 取下紙帶，從能夠看清的某個點開始，往後數出若幹個點，這些點劃分出來的間隔數是多少？由此計算出紙帶從第一個點到第N個點的運動時間。
5． 用刻度尺測量出第一個點至第N個點的距離。
6． 計算紙帶上的平均速度。
圖1.4-4 這是按實際大小畫出的一條紙帶,在打出D、G這兩個點的時間間隔中,紙帶的平均速度是多少?
四 用打點計時器測量瞬時速度
思想方法:用某段時間內的平均速度來粗略的代替這段時間內的某點的瞬時速度.所取的時間間隔越接近該點計算出的瞬時速度就越精確.
如圖（書21頁1.4-5圖）:要計算E點的瞬時速度可以用D—E的平均速度來替代,也可以用E—F的平均速度來替代,還可以用D—F的平均速度來替代.這三種方法中D—F包含E點切比較靠近E點,所以用D—F的平均速度來替代E點的瞬時速度是最精確的!
(1)求平均速度
利用公式
計算出紙帶在這段時間內的平均速度，把測量和計算的結果填入 表1中
表1
點數 n
點間隔數n-1
可以用同樣的方法計算出圖中各點的瞬時速度填入課本21頁的表2中,從表中列出的點我們可以粗略的瞭解紙帶的運動情況.
五 用圖象表示速度
在表2中我們隻能粗略得知紙帶在有些間斷的點的速度.要想知道紙帶的速度變化規律我們還要借助於圖象怎樣用圖象來表示物體的運動速度呢?
學生討論:
總結:在坐標紙上建立直角坐標系,用縱坐標表示物體的運動速度,用橫坐標表示時間,根據表2中各個時刻的速度,將(v,t)作為一組坐標在圖象中描點,將點連線後得出的圖象稱為速度—時間圖象(v—t圖象),簡稱速度圖象.
學生實際操作:
思考:我們從根據實際測量數據所描出的點的走向可以大致看出紙帶的速度變化規律.在把點連成線的時候我們是用折線來連還是用光滑的曲線來連呢?
學生討論:
總結:速度的變化應該是比較平滑的,所以,如果用一條平滑的曲線來”擬合”這些點應該更符合實際情況.
小結：
電磁打點計時器和電火花打點計時器都是記錄物體在一定時間間隔內位移的儀器.v—t圖象:
表示做運動的物體的速度隨時間變化的規律
鞏固教學.（2分鐘）
板書設計
4 用打點計時器測速度
電磁打點計時器
靠電磁感應帶動振針振動通過復寫紙打點
電火花打點計時器
靠產生的電火花放電蒸發墨粉打點
打點計時器的使用
註意使用方法和領悟註意事項
測量瞬時速度
用包含某點的一段時間的平均速度來粗略表示該點的瞬時速度
速度—時間圖象
以時間為橫坐標,速度為縱坐標,描點連線作出的平滑圖象
五、例題講解
1. 運動的物體帶動紙帶被打點計時器打上一系列的點,這些點的距離不一定相等,但這些點能說明 ( )
A 運動物體在一段時間內的位移
B 運動物體在一段時間內的運動快慢
C 運動物體在某時刻的位置
D 運動物體的運動性質
2. 通過打點計時器得到的一條紙帶上的點子不均勻,下列判斷正確的是 ( )
A 點子密集的地方物體的運動速度比較大
B 點子密集的地方物體的運動速度比較小
C 點子不均勻說明物體在做變速運動
D 點子不均勻說明打點計時器有故障
3.在你練習使用打點計時器時,小車拖動紙帶並在上面打下一系列的小點,根據你所打出紙帶,在判斷紙帶表示的運動是勻速直線運動還是變速直線運動時 ( )
A 應通過測量紙帶表示的運動的全程來判斷
B 必須通過計算任意兩點間的平均速度來判斷
C 必須通過計算全程的平均速度來計算
D可以通過測量每相鄰兩點間的距離,看其是否相同來判斷
參考答案
1.ABCD 2.BC 3.D
六、課堂小結
提問的方式問同學學到那些知識
多媒體課件演示
佈置作業
實驗：練習使用打點計時器
實驗目標
要求通過教科書和閱讀“說明卡”觀察儀器，掌握使用打點計時器在紙帶上記錄時間和位移的技能，並運用這一技能測定平均速度，畫出v-t圖象。瞭解用圖象研究物理問題的方法。
實驗器材
電磁打點計時器(或電火花計時器)、紙帶、復寫紙片、低壓交流電源、刻度尺、導線
實驗過程
使用打點計時器：
7． 瞭解打點計時器的結構，然後把它固定在桌子上。
8． 把紙帶裝好。
9． 啟動電源用手拉動紙帶，紙帶上就打出一行小點，隨後關閉電源。
10． 取下紙帶，從能夠看清的某個點開始，往後數出若幹個點，這些點劃分出來的間隔數是多少？由此計算出紙帶從第一個點到第N個點的運動時間。
11． 用刻度尺測量出第一個點至第N個點的距離。
12． 計算紙帶上的平均速度。
疑惑解答
學生自主閱讀教材中的實驗步驟提示:教師指導學生練習使用打點計時器並引導學生思考下列問題:
問題1. 電磁打點計時器中怎樣安放復寫紙和紙帶?
師總結:將復寫紙套在復寫紙定位銷上,推動調節片可以調節復寫紙位置.將紙帶從復寫紙圓片下穿過即可.
問題2. 振針打的點不清晰或打不出點可能有哪些情況?怎樣調節?
師總結: 1.可能是復寫紙該換新的瞭
2.可能是振動片的振動幅度太小瞭,可以調節振動片的位置
3.可檢查壓紙框的位置是否升高而阻礙瞭振動片使振針打不到紙帶上,可將壓紙框向下調節到原來的位置
4.可能是振針的位置太高,調節振針直到能打出點為止
5.可能是選擇的4—6V的電壓太低,可適當調高電壓,但不得超過10V
問題3.為什麼要先打開電源讓打點計時器先工作1—2s再松手打紙帶?可不可以先松手再打開打點計時器的電源?
師總結: 打點計時器打開電源後要經過一個短暫的時間才能穩定工作,所以應先打開電源讓打點計時器工作1—2s後才能松手打紙帶.這樣做可以減小誤差
問題4. 打點計時器打完點後要及時關閉電源,這樣做有什麼好處?
師總結:因為打點計時器是按照間歇性工作設計的,長期工作會導致線圈發熱而損壞
問題5.處理紙帶時從某個能看清楚的點開始,往後數出n個點,這些點之間的時間間隔應該怎樣確定?
師總結:每2個相鄰的點之間的時間間隔是0.02s,n個點之間的時間間隔為(n-1)倍的0.02s
問題6.怎樣根據紙帶上的點跡計算紙帶的平均速度?
師總結:測出兩個點的距離 ,數出兩個點之間有n段時間間隔,則 .在用公式
即可計算出平均速度
註意事項
1， 會安裝復寫紙，並且會調節復寫紙的位置，將紙帶從復寫紙圓片下穿過。
2， 開啟電源，打點計時器工作，待1S~2S再拖動紙帶打出點子。觀察點跡是否清晰，打完點後，立即關閉電源。
3， 在紙帶上打不出點或點跡過暗是，糾正的對策大致有三種：電源電壓較低情況下，可適當提高；調整復寫紙的位置或是更換復寫紙；調整打點計時器。
4， 打點計時器的調整。
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