3.2《勻變速直線運動的實驗探究》學案
【學習目標】
1．知道打點計時器的構造和工作原理，能正確使用打點計時器。
2．會分析打點計時器打出的紙帶，能根據(jù)紙帶正確判斷物體的運動情況，并計算平均速度、瞬時速度和加速度。
【學習重點】
掌握利用打點計時器判斷小車是否做勻變速直線運動的方法
【知識要點】
一、打點計時器及其使用
1．中學實驗室的兩種打點計時器
（1）電磁打點計時器
結構：如右圖所示
原理：
電磁打點計時器是一種使用低壓交流電的計時器，其工作電壓為4～6V。當電頻率為50Hz，它每隔0.02s打一個點。把紙帶穿過限位孔，再把套在軸上的復寫紙片壓在紙帶上面，通電后，在線圈和永久磁鐵的作用下，振片便振動起，位于振片一端的振針就跟著上下振動起，當物體拖著紙帶運動時，振針就在紙帶上打出一系列的點，這些點記錄了運動物體的位置的同時，也記錄了對應發(fā)生這些位移所用的時間。
（2）電火花計時器
結構：如右圖所示
原理：電火花計時器是利用火花放電在紙帶上打出小孔，從而顯示出電跡的。當電頻率50Hz時，它每隔0.02s打一個點。計時器使用時，墨粉紙盤軸上，并夾在兩條紙帶之間，接通220V交流電，按下脈沖輸出開關，計時器發(fā)出的脈沖電流經(jīng)接正相的放電計、墨粉紙盤到負相的紙盤軸，產(chǎn)生火花放電，在運動的紙帶上就打出一列電跡。
二、使用打點計時器研究勻變速運動
1．由紙帶判斷物體是否做勻變速直線運動。
設物體做勻變速直線運動，加速度是a，在各個連續(xù)相等的時間間隔T內的位移分別是s1、s2、s3、……,則△s=s2?s1=s3?s2=…=aT2，即連續(xù)相等的時間間隔內的相鄰位移差相等。
因此，要由紙帶判斷物體是否做勻變速直線運動，只要看紙帶上時間間隔相等的連續(xù)相鄰的計數(shù)點間的距離之差是否相等即可（在實驗誤差允許范圍內）。
2．利用△s＝aT2求小車的加速度的方法。
①逐差法：如圖所示，根據(jù)s4?s1=3a1T2，s5?s2=3a2T2，s6?s3=3a3T2，求出a1、a2、a3，再則由a=a1 + a2 + a33算出平均值a，作為勻變速直線運動物體的加速度。
“逐差法”求加速度的目的：盡可能多地使用我們測量的數(shù)據(jù)s1、s2、s3、……，以減小偶然誤差。
②υ?t圖象法：根據(jù)勻變速直線運動在某段時間中間時刻的速度等于這段時間內的平均速度即υn=sn + sn+12T，求出打第n個計數(shù)點時紙帶的瞬時速度，再作出υ?t圖象，圖線的斜率表示勻變速直線運動物體的加速度。
三、實驗步驟
1．把長木板上沒有定滑輪的一端墊高放在桌上，有定油輪的一端伸出桌邊把打點計時器固定在長木板墊高的一端，連接好電路。
2．把紙帶穿過打點計時器，并將紙帶的一端固定在小車的后面。
3．把小車停在靠近打點計時器處，接通電后，放開小車，讓小車拖著紙帶運動，打點計時器就在紙帶上打下一列小點。
4．換上紙帶，重復實驗三次。
⑸從三條紙帶中，挑選一條比較理想（點跡清晰）的進行分析。分析計算的結果填入按本表3－2、3－3設計的表格中，并根據(jù)實驗結果得出結論。
4、數(shù)據(jù)處理
（1）逐差法
（2）求某點的瞬時速度
（3）作圖法求加速度
四、注意事項
1．開始釋放小車時，應使小車靠近打點計時器。
2．先接通電，計時器工作后，再放開小車，當小車停止運動時及時斷開電。
3．木板傾斜度要調到能在50cm長的紙帶上清楚地取得六七個計數(shù)點為宜，以免加速度過大而使紙帶上的點太少，或者加速度太小，而使各段位移無多大差別，從而使誤差增大。
4．誤差問題
做物理實驗，不僅要觀察物理現(xiàn)象，還要找到現(xiàn)象中的數(shù)量關系，要知道物理量的數(shù)值，必須進行測量，測量的結果不可能絕對正確的，測出的數(shù)值與真實值的差異叫做誤差。從看，誤差可以分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差兩種。
系統(tǒng)誤差是由于儀器本身不精確，或實驗原理不完善，實驗方法粗略等因素造成的。系統(tǒng)誤差的特點是多次重做同一實驗時，誤差總是同樣地偏大或偏小，不會出現(xiàn)這幾次偏大另幾次偏小的情況。要減小系統(tǒng)誤差，必須校準測量儀器，改進實驗方法，設計在原理上更為完善的實驗。
偶然誤差是由各種偶然因素對試驗者、測量儀器、被測物理量的影響而造成的。偶然誤差總是有時偏大，有時偏小，并且偏大和偏小的概率相同。因此將多次測量結果取平均值，可以使測得的結果比一次測得的數(shù)值更接近于真實值，達到減小偶然誤差的效果。
5．要區(qū)別計時器打出的點與人為選取的計數(shù)點，一般在紙帶上每隔五個點取一個計數(shù)點，即時間間隔為T=0.02s×5s=0.1s。
6．使用電磁打點計時器時必須接在6－8V的低壓交流電上；使用電火花計時器時須接在220V的交流電上。注意計時器不宜長時間通電，每次都要及時關閉電開關。
【典型例題】
例1使用電火花計時器分析物體運動情況的實驗中：
①在如下實驗步驟中，正確合理的排列順序為 。
A．把電火花計時器固定在桌子上
B．安好紙帶
C．松開紙帶讓物體帶著紙帶運動
D．接通220V交流電
E．按下脈沖輸出開關，進行打點
②在安放紙帶時，要檢查墨粉紙盤是否已經(jīng)正確地套在 ，還要檢查 是否夾在兩條紙帶之間。
[分析與解]合理的順序應為ABDEC。墨粉紙盤應套在紙盤軸上，目的是使它可以轉動，均勻地被利用。墨粉紙盤夾在兩條紙帶之間，目的是使墨粉紙盤可以更好地轉動。
提示：使用電火花計時器實驗的操作步驟和打點計時器是相仿的，但電火花打點計時器具有打點清晰、實驗誤差小的優(yōu)點。
例2使用打點計時器時，下列問題對實驗的影響是什么？
（1）錯接在直流電上，影響是______________________________________________
（2）電頻率不穩(wěn)，影響是________________________________________________
（3）打點針壓得太緊，影響是_______________________________________________
（4）電電壓不穩(wěn)，影響是_________________________________________________
（5）振針過長，影響是____________________________________________
[分析與解]⑴不會打點；⑵打點間隔無規(guī)律，不會總是每隔0.02s打一個點，但紙帶上看不出，而實際上打點間隔已不是0.02s內物體運動的位移；⑶針與紙帶接觸時間過長，使“點”變成為“線”；⑷不影響打點的時間間隔，影響打點的清晰程度；⑸對紙帶的影響和振針壓得太緊相似，是間斷的直線
【達標訓練】
1．關于計數(shù)點的下列說法中正確的是（ABD）
A．用計數(shù)點進行測量計算，既方便又可減小誤差
B．相鄰計數(shù)點間的時間間隔應是相等的
C．相鄰計數(shù)點間的距離應是相等的
D．計數(shù)點是從計時器打出的實際點中選出的，相鄰計數(shù)點間點跡的個數(shù)相等
2．
3．一個物體做勻加速直線運動，其有關數(shù)據(jù)記錄在下列表格中，其中遺漏了幾項，請你把遺漏的數(shù)據(jù)補齊，表中①、②、③為空缺，則分別是___、___、___。
時間1秒末2秒末3秒末4秒末
速度（m•s-1）35①9
位移（m）2②12③
答案：7，6，20
4．如圖是用頻閃法（閃光頻率一定）拍得的三幅體育攝影作品，請根據(jù)運動學知識判斷下列說法中正確的是（C）
A．第一幅圖是車減速階段拍攝的
B．第二幅圖是車減速階段拍攝的
C．第三幅圖是車減速階段拍攝的
D．三幅照片都是車勻速行駛時拍攝的
5．某同學用如圖所示裝置測量僅在重力作用下的加速度a。在所選紙帶上取某點為0號計數(shù)點，然后每3個點取一個計數(shù)點，所以測量數(shù)據(jù)及其標記符號如題圖所示。該同學用兩種方法處理數(shù)據(jù)(T為相鄰兩計數(shù)點的時間間隔)
方法A：由a1=s2?s1 T2，a2=s3?s2 T2，……，
a5=s6?s5 T2，取平均值a=8.667m/s2；
方法B：由a1=s4?s1 3T2，a2=s5?s2 3T2，a3=s6?s3 3T2
取平均值a=8.673m/s2。
(1)從實驗裝置看，該同學所用交流電的電壓為_________伏特，操作步驟中釋放紙帶和接通電的先后順序應該是_____________________。
(2)從數(shù)據(jù)處理方法看，在s1、s2、s3、s4、s5、s6中，對實驗結果起作用的，方法A中有_______;方法B中有_____________________________。因此，選擇方法___________（A或B）更合理，這樣可以減少實驗的__________(系統(tǒng)或偶然)誤差。
(3)本實驗誤差的主要有_____________
_______________________（試舉出兩條）。
（1）220，先接通電后松開紙帶；（2）s1、s6；s1、s2、s3、s4、s5、s6；B；偶然。（3）打點阻力和空氣阻力；測量距離等產(chǎn)生誤差
6．某同學在測定勻變速直線運動的加速度時，得到了幾條較為理想的紙帶，已知在每條紙帶每5個計時點取好一個計數(shù)點，兩個計數(shù)點之間的時間間隔為0.1s，依打點時間順序編號為0、1、2、3、4、5，由于不小心，紙帶被撕斷了，如下圖所示.請根據(jù)給出的A、B、C、D四段紙帶回答:(1)在B、C、D三段紙帶中選出從紙帶A上撕下的那段應是______。(2)打A紙帶時，物體的加速度大小是______m/s2。
(1)C(2)6.6
7．某同學在“研究勻變速直線運動”的實驗中，用打點計時器記錄了被小車拖動的紙帶的運動情況，在紙帶上確定出A、B、C、D、E、F、G共7個計數(shù)點，如下圖所示，其相鄰點間的距離分別為AB=3.62cm，BC=4.38cm，CD=5.20cm，DE=5.99cm，EF=6.80cm，F(xiàn)G=7.62cm，每兩個相鄰的計數(shù)點的時間間隔為0.10s。（1）BD過程的平均速度vBD=_______m/s；
（2）試根據(jù)紙帶上各個計數(shù)點間的距離，計算出打下B、C、D、E、F五個點時小車的瞬時速度，并將各個速度值填入下式(要求保留三位有效數(shù)字)：vB=______m/s，vC=______m/s，vD=_____m/s，vE=_____m/s，vF=____m/s．
（3）將B、C、D、E、F各個時刻的瞬時速度標在下圖所示的坐標紙上，并畫出小車的瞬時速度隨時間變化的關系圖線。
（4）根據(jù)上圖中的v-t圖線，求出小車運動的加速度為_______m/s2。(保留兩位有效數(shù)字)
（1）0.479（2）0.4000.4790.5600.6400.721（3）圖略（4）0.80
【反思】
收
獲
疑
問
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