人教版 (2019)必修 第一册4 速度变化快慢的描述——加速度示范课ppt课件

实验：测量纸带的平均速度和瞬时速度

[实验目标]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物体的速度。3．能利用实验数据描绘物体的v­t图像，描述分析物体的运动。

一、实验原理

1．测量平均速度：根据v＝可求出任意两点间的平均速度，其中：(1)Δx是纸带上两点间的位移，可以利用刻度尺测量；(2)Δt是这两点间的时间间隔，可以根据两点间隔的打点个数及打点周期确定。

2．测量瞬时速度：运动物体在某一时刻或某一位置(例如纸带上某点)的瞬时速度可以粗略地由包含该点在内的相距较近的两点间的平均速度来表示。

二、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(电火花打点计时器使用220 V交流电源)、复写纸(或墨粉纸盘)、导线若干、刻度尺、纸带、坐标纸。

三、实验步骤

1．把打点计时器固定在桌子上。

2．安装纸带。

3．把打点计时器的两个接线柱接到交变电源上(电源频率为50 Hz，电磁打点计时器接8V低压交变电源，电火花计时器接220V交变电源)。

4．启动电源，用手水平拉动纸带，纸带上就打出一行小点。随后立即关闭电源。

5．从纸带上点迹清晰的某一点为起始点0，后面每5个点取一个计数点，分别用1、2、3…标出这些计数点，则两相邻计数点之间的时间间隔Δt＝0.1s。

6．用刻度尺测量出各计数点到起始点的距离Δx。

7．利用公式v＝计算纸带上各相邻计数点间的平均速度。

四、数据处理

1．根据v＝计算出的速度可以代表在Δx这一段位移内任意一点的瞬时速度，将数据填入表中。

2．建立平面直角坐标系，如图，根据测量数据在坐标系中描点，然后用平滑的曲线把这些点连接起来，即得到物体运动的v­t图像。

五、误差分析

1．利用平均速度来代替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x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距离。

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。

六、注意事项

1．如果在纸带上数出了n个点，那么，它们的间隔数是(n－1)个，它们的时间间隔为(n－1)×0.02 s。

2．使用打点计时器打点时，应先接通电源，待打点计时器打点稳定后，再拉动纸带。

3．手拉动纸带时速度应适当快一些，以防点迹太密集。

4．使用电火花打点计时器时，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，应让纸带穿过限位孔，压在复写纸下面。

5．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。

类型一　实验原理与操作

【典例1】　(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50 Hz，常用的“电磁打点计时器”使用的电压是______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

(3)用打点计时器测定物体的速度，当电源频率低于50 Hz时，如果仍按50 Hz的时间间隔打一个点计算，则测出的速度数值将比物体的真实速度数值________(选填“偏大”或“偏小”)。

[解析]　(1)电磁打点计时器的工作电压，一般是8 V。打点间隔为交流电的频率的倒数，当电源的频率是50 Hz时，打点周期是0.02 s。

(2)使用打点计时器时，应先接通电源，让打点计时器工作，再让纸带运动使打点计时器在上面打出点迹，故A项正确。

(3)当交流电的频率低于50 Hz时，打点计时器打一次点的时间间隔t将大于0.02 s，利用公式v＝计算时，t取0.02 s时比真实值偏小，因此测出的速度将比真实值偏大。

[答案]　(1)8　交流电　0.02　(2)A　(3)偏大

类型二　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50 Hz。

(1)测得C、D两点间距x4＝2.70 cm，DE两点间距x5＝2.90 cm，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＝0.220 m/s，vB＝0.241 m/s，vC＝0.258 m/s，vE＝0.300 m/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v­t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vD＝，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0.1 s，故vD＝0.280 m/s；

(2)如图所示。

[答案]　(1)　0.280　(2)见解析图

数据处理的三点提醒

(1)应用v＝求某点的瞬时速度时，应当取包含该点的尽量短的时间间隔。

(2)作v­t图像时应注意选择适当的标度，让图线在坐标纸上尽量展开。

(3)如果图线为直线，连线时要让尽量多的点落在直线上，如果为曲线，应利用平滑曲线将各点连接，偏离较远的点可舍去不计。

类型三　创新设计实验

【典例3】　像打点计时器一样，光电计时器也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，乙图中MN是水平桌面，PQ是长1 m左右的木板，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。此外在木板顶端的P点悬挂着一个铅锤，让滑块从木板的顶端滑下，光电门1、2各自连接的计时器显示的挡光时间分别为5.0×10－2s和2.0×10－2s。用游标卡尺测出小滑块的宽度d，读出滑块的宽度d＝5.015 cm。则滑块通过光电门1的速度v1＝________m/s，滑块通过光电门2的速度v2＝________m/s。

甲　　　　　　　　乙

[解析]　滑块通过光电门1的时间t1＝5.0×10－2s，位移是x1＝5.015 cm＝5.015×10－2m，平均速度1＝＝1.003 m/s，所以滑块通过光电门1的速度v1＝1＝1.003 m/s；滑块通过光电门2的时间t2＝2.0×10－2s，位移x2＝5.015 cm＝5.015×10－2m，平均速度2＝≈2.508 m/s，所以滑块通过光电门2的速度v2＝2＝2.508 m/s。

[答案]　1.003　2.508

(教师用书独具)

1．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步骤，将各步骤的字母代号顺序写在空白处。

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50 Hz的低压________(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在桌子上，让纸带穿过______(选填“插孔”或“限位孔”)，并压在________(选填“白纸”或“复写纸”)下面；

C．用刻度尺测量从计时开始点到最后一个点间的距离Δx；

D．切断电源，取下纸带，如果共有6个清晰的点，则这段纸带记录的时间Δt＝________；

E．打开电源开关，再用手水平地拉动纸带，纸带上打下一系列小点；

F．利用公式＝计算纸带运动的平均速度。

实验步骤的合理顺序是________。

[解析]　(1)A．电磁打点计时器使用的是交流电源，因此要将导线接在低压交流电源上。

B．把电磁打点计时器固定在桌子上，让纸带穿过限位孔，并压在复写纸下面。

D．若打n个点，则有(n－1)个时间间隔，故这段纸带记录的时间Δt＝0.02(n－1) s；则6个点对应5个间隔为0.1 s。

(2)实验步骤的排列一般要先安装器材即首先进行BA步骤，然后进行实验即E步骤，实验结束要先关掉电源，即进行D步骤，最后进行数据处理，即进行CF步骤，故实验步骤的合理顺序是BAEDCF。

[答案]　交流　限位孔　复写纸　0.1 s　BAEDCF

2．(1)如图所示，你的左手拿一块表，右手拿一支彩色画笔。你的同伴牵动一条宽约1 cm的长纸带，使纸带在你的笔下沿着直线向前移动。每隔1 s你用画笔在纸带上点一个点。你还可以练习在1 s内均匀地点上两个点。这样，就做成了一台简单的“打点计时器”。由实验可知纸带速度越大，相邻两点的距离越________(填“远”或“近”)，纸带的速度与相邻两点所表示的时间________(填“有”或“没有”)影响。

(2)小张以同一个打点计时器在固定频率下，测量小车拉动纸带甲、乙、丙、丁的运动速度，每次小车都是自右向左运动，四段纸带的长度都相同。如图，则下列叙述正确的是________。

A．纸带甲打点均匀，表示车子的运动是匀速的

B．纸带乙显示的平均速度与纸带甲相同

C．纸带丙表示的小车的运动是先快后慢

D．纸带丁表示的小车的运动是先慢后快

[解析]　(1)由实验可知纸带速度越大，相邻两点的距离越远，纸带的速度与相邻两点所表示的时间没有影响。(2)纸带甲打点均匀，表示车子的运动是匀速的，选项A正确；纸带乙两点间距较大，故显示的平均速度比纸带甲大，选项B错误；纸带丙打点间距逐渐变大，表示小车的运动是逐渐变快，选项C错误；纸带丁表示的小车的运动是逐渐变慢，选项D错误。

[答案]　(1)远　没有　(2)A

3．(2020·湖北武汉钢城四中高一上月考)在练习使用打点计时器的实验中，得到了一条如图所示的纸带，其中0，1，2，3…是选用的计数点，每相邻两个计数点之间还有3个打出的点没有在纸带上标出，已知打点计时器每隔T＝0.02 s打一个点。图中画出了将米尺靠在纸带上测量的情况，读出图中所测量点对应的读数分别是__________、________、________和________；打第2个计数点时纸带的速度是________m/s。

[解析]　每相邻两个计数点间还有3个打出的点没有在纸带上标出，所以相邻两个计数点间的时间间隔是T＝0.08 s；由图可知，点0对应的读数是10.00 cm，点1对应的读数是12.60 cm，点3对应的读数是22.60 cm，点4对应的读数是29.90 cm，打纸带上第2个计数点时纸带的瞬时速度大小近似等于打1、3两点间的平均速度大小v2＝＝m/s＝0.625 m/s。

[答案]　10.00 cm　12.60 cm　22.60 cm　29.90 cm　0.625

4．(2020·湖南邵阳期中)在用打点计时器测速度的实验中，电源频率为50 Hz，一条记录小车运动情况的纸带如图甲所示，在其上取A、B、C、D、E 5个计数点，每相邻两个计数点之间还有4个点没有画出。

甲　　　　　　　　　　　乙

(1)由纸带上的数据计算vB＝______m/s，vC＝______m/s，vD＝________m/s。(计算结果均保留三位有效数字)

(2)在如图乙所示坐标系中作出小车的v­t图线(以A点为计时起点)。

[解析]　(1)电源的频率为50 Hz，则每打两个点之间的时间间隔为T＝0.02 s，由每相邻的两个计数点之间还有四个点没有画出，可得相邻两个计数点之间的时间间隔t＝5T＝0.10 s。在计算打下各点时小车的瞬时速度时，可以用与该点相邻的两个计数点间的平均速度表示打下该点时小车的瞬时速度。

打B点时小车的速度为vB＝＝m/s＝0.690 m/s

打C点时小车的速度为vC＝＝×10－2m/s＝1.32 m/s

打D点时小车的速度为vD＝＝×10－2m/s＝1.95 m/s。

(2)根据计算出的小车在各计数点的速度描点、连线，可得小车的v­t图线如图所示。

[答案]　(1)0.690　1.32　1.95　(2)如解析图所示