4实验:用打点计时器测速度
【实验目的】1.了解电磁打点计时器、电火花计时器的结构和工作原理。2.会正确安装、熟练使用电磁打点计时器和电火花计时器。
3.理解根据纸带上的点迹测量速度的原理,会计算瞬时速度。4.理解v-t图象的意义,掌握用描点法画图象,会根据画出的图象描述物体速度的变化特点。
【实验原理】瞬时速度的测定:跟运动物体连在一起的纸带上打出的点记录了物体在不同时刻的位置,如图,若测E点的瞬时速度,可测出D、F两个计数点间的位移Δx和时间Δt,E点的瞬时速度就可用D、F间的平均速度v=来表示。
【实验器材】1.实验器材:电磁打点计时器(配学生电源、复写纸)或电火花计时器(配交流电源)、纸带、坐标纸、导线、刻度尺。
2.两种打点计时器的比较:电火花计时器电磁打点计时器结构图示
电火花计时器电磁打点计时器工作电压220V交流电6V以下交流电打点方式周期性产生电火花振针周期性上下振动打点周期0.02s0.02s记录信息位移、时间
【实验过程】一、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6V的低压交流电源上。3.接通电源,用手水平拉动纸带,使它在水平方向上运动,在纸带上打下一系列点。
4.关闭电源,取下纸带,把纸带上能看得清的某个点作为起始点O,以后每隔相等时间取一个计数点,分别标上A、B、C、D…如图所示,依次测出O到A、B、C、D…的距离,然后计算出O到A、A到B、B到C…之间的距离x1、x2、x3…
二、数据处理1.表格法:每相邻两个计数点之间的时间为T,则A、B、C、D…各点的瞬时速度分别为:
把数据填入表中,根据数据判断纸带是否做匀速运动。位置ABCDEFGxn+xn+1/mv/(m·s-1)
2.图象法:(1)v-t图象:用横轴表示时间t,纵轴表示速度v,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点连接起来,即得到如图所示的v-t图象。
(2)v-t图象的意义:直观地反映了运动物体的速度随时间的变化情况,但它不是物体运动的轨迹。
(3)图象法的优点:图象法是处理实验数据的常用方法之一。运用图象法处理数据有许多优点,如可以使物理规律直观易懂,可以减小偶然误差,可以方便地获得某些未经测量或无法直接测量的物理数据等。
【实验探究】1.使用打点计时器时,先接通电源还是先释放纸带?提示:使用打点计时器时应先接通电源,待打点计时器打点稳定后再释放纸带。
2.纸带上的点迹直接记录了哪些信息?提示:纸带上的点迹直接记录了运动物体在不同时刻的位置和不同时间内的位移及运动时间。
3.在数据处理时,一定要选相邻的点为计数点吗?提示:不一定。由于打点计时器的打点周期为0.02s,时间比较短,相邻两点的距离也比较小,这样在测量和计算时都会带来比较大的误差,所以为了减小误差,往往是每5个点为一计数点,这样两个相邻计数点间的时间间隔就是0.1s。
4.测量各计数点间的位移时,应一次测量出各计数点到起始计数点的距离,还是分段测量各段距离?提示:测量各计数点间的位移时,应一次测量出各计数点到起始计数点的距离,而不应分段测量,原因是分段测量的误差较大。
5.为什么打点计时器打点完毕后要立即关闭电源?提示:打点计时器工作电路是按间歇式电路设计的,应避免线圈过热而损坏。
6.打点计时器使用直流电还是交流电?两种打点计时器工作电压大小相同吗?提示:交流电。电磁打点计时器使用6V以下交流电压,电火花计时器使用220V交流电压。
类型1打点计时器的原理及使用【典例1】某同学在做“用打点计时器测速度”的实验,细线一端与小车相连,另一端绕过定滑轮悬挂钩码,通过打点计时器和纸带记录了小车的运动情况。
(1)实验中除了电磁打点计时器(含纸带、复写纸)、小车、一端附有滑轮的长直轨道、细线、钩码、导线及开关外,在下面的器材中,必须使用的有(填选项代号)________。A.220V、50Hz交流电源B.电压可调的直流电源
C.4～6V、50Hz交流电源D.刻度尺E.秒表F.天平
(2)实验过程中,下列操作正确的是________(填选项代号)。A.将接好纸带的小车停在靠近滑轮一端B.将接好纸带的小车停在靠近打点计时器一端C.先释放小车,待小车有较大速度后再接通电源D.先接通电源,待打点稳定后再释放小车
【解析】(1)电磁打点计时器使用电压不高于6V、50Hz交流电源;处理纸带时需要用刻度尺,由于打点计时器记录了小车运动时间,因此不需要秒表,不需要天平,故需要C、D。(2)实验操作时,将接好纸带的小车停在靠近打点计时器处,先接通电源,再释放纸带,故B、D正确,A、C错误。答案:(1)C、D(2)B、D
类型2数据处理计算瞬时速度【典例2】(2019·宜昌高一检测)某同学在“用打点计时器测速度”的实验中,用打点计时器记录了被小车拖动的纸带的运动情况,在纸带上确定出0、1、2、3、4、5、6共7个测量点,每两个相邻的测量点之间还有四个点没标出,其部分相邻点间的距离如图所示,完成下列问题。
(1)关于打点计时器的时间间隔,下列是四位同学各自发表的看法,其中正确的是________。A.电源电压越高,每打两个点的时间间隔就越短B.纸带速度越大,每打两个点的时间间隔就越短C.打点计时器连续打两个点的时间间隔由交流电的频率决定
D.如果将交流电改为直流电,打点计时器连续打两个点的时间间隔保持不变
(2)打下点4时小车的瞬时速度为________m/s。(要求计算结果保留2位有效数字)
【解析】(1)选C。打点计时器连续打两个点的时间间隔由交流电的频率决定,与电源电压、纸带速度无关,故A、B错误,C正确。如果将交流电改为直流电,打点计时器将无法工作,故D错误。(2)打下点4时小车的瞬时速度为答案:(1)C(2)0.31
类型3练习使用打点计时器测速度【典例3】(2019·肇庆高一检测)(1)打点计时器接________(选填“交流”或“直流”)电源,当频率是50Hz时,打点计时器每隔________秒打一个点。
(2)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C.平均速度D.瞬时速度
(3)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
(4)在“练习使用打点计时器”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、F、G是在纸带上所选的计数点,相邻计数点间的时间间隔为0.1s。则vBD=______m/s;vDF=________m/s。(结果保留两位有效数字)
【解析】(1)打点计时器所用电源为交流电,频率为50Hz,周期为0.02s,打点计时器每隔0.02s打一个点。
(2)选A、B。电磁打点计时器在随物体一起运动的纸带上每隔0.02s打下一个点,点的间隔就反映了物体的位置变化情况,所以可以从纸带上直接得到位移,通过数点的多少可以得到运动的时间间隔。平均速度和瞬时速度都不能直接得到。故选A、B。
(3)选C。电磁打点计时器使用的是低压交流电,A错误;在测量物体速度时,先接通打点计时器的电源,打点稳定后,再让物体运动,B错误;使用的电源频率越高,周期越小,打点的时间间隔就越小,C正确;纸带上打的点越密,说明相同时间内物体的位移越小,物体运动的越慢,D错误。故选C。
(4)BD段的平均速度为:DF段的平均速度为:答案:(1)交流0.02(2)A、B(3)C(4)0.210.31
