第4节 实验：用打点计时器测速度 教学参考

1．教学目标

（1）了解电磁打点计时器、电火花计时器的基本结构，理解其基本工作原理。

（2）经历使用打点计时器的过程，能正确、熟练地使用打点计时器。

（3）会根据纸带上的点迹计算物体运动的平均速度。理解用平均速度表示瞬时速度所采用的思想方法，会用这种方法计算瞬时速度。

（4）能运用实验数据描绘v-t图象，并会根据画出的图象描绘物体运动速度的变化特点。

2．教材分析与教学建议

本节内容的重点有三点。一是要了解打点计时器的使用方法和在实验中的作用。二是要知道如何计算纸带上各点的速度。三是会在v-t坐标系中描点、拟合曲线并描述物体运动的规律。由于内容多而且是学生实验，所以本节安排2课时。

（1）电磁打点计时器

课本介绍了两种计时器，首先要了解计时器在实验中的作用。两种计时器虽然打点的原理不一样，但都是每隔0.02s打一个点。

使用电磁式打点计时器，学生先要会安装复写纸和纸带，并会调节复写纸的位置。实验使用50Hz交流电源，电压在10V以下。

要让学生知道，开启电源后使打点计时器工作1～2s后再拖动纸带，观察打出的点迹是否清晰。打完点后，立即关闭电源。因为打点计时器工作是按间歇式电路设计的，应避免线圈过热而损坏。

教给学生处理实验中常见问题的方法。例如，使用电磁打点计时器时，如果发现纸带上打不出点或点迹颜色过淡，可以从以下几个方面检查：①电源电压是否较低，开启电源后，观察振动片的振幅，如果振幅较小，逐渐升高电压至6V。②如果振动片振动较大仍打不出点，可调整振针的长度，直至打出点为止。但也要注意，若振针向下调节过长，则打点的声音过大，且易出现拖尾或双点现象，调节时要仔细。③复写纸位置是否合适，复写纸是否需要更换。④电磁打点计时器的压纸框是否升高阻挡了振动片，使振针打不到纸带上。以上几种情况都检查后仍出现点迹颜色过淡，就可能是因为永久磁铁磁性不强引起的，这只能要求更换打点计时器。

一个性能良好的打点计时器，在固有周期与电源的周期相同时，振片振动的振幅较大，打点清晰，等时性好。如果出现振幅较小或者振动不稳定现象，说明振动片没有在共振状态下工作。振动片的固有周期主要由它的长度决定，可通过调节振动片的长度来调整它的固有周期。这时，可以请老师帮助或协助老师做以下的工作：松开振动片的固定螺钉，逐步改变振动片的长度，并观察振动片的振幅，当振幅最大时，表明振动片的固有频率与电源频率一致。另外，振动片在线圈框架中的位置及在磁铁之间的位置都必须位于正中间，否则会出现打点周期不稳的现象。如发现振动片周期不稳，可松开振动片的紧固螺钉，改变垫片的厚度，使振动片位于正中间。

电磁打点计时器的计时精度主要由振动片的振动频率决定。由于振动、碰撞等原因可能使打点频率偏离正常范围（包括出现频率偏移和频率不稳等现象），影响它的正常工作。

学生在使用学生电源时，可能会出现将打点计时器错接到直流电源上（非稳压电源）的情况。这时，虽然也能在纸带上打出点迹，但是因为直流输出为单向脉动电流，频率为100Hz，会导致数据处理时发生错误。

（2）电火花计时器

使用电火花计时器，学生要学会安装墨粉纸盘，将有墨粉的一面朝向纸带。与电磁打点计时器不同的是，电火花计时器使用的电源是50Hz、220V交流电。

使用电火花计时器时，也会出现打不上点或点迹太淡的情况。学生可以检查一下墨粉纸，看有墨粉的一面是否朝向纸带。另外，如果墨粉盘不随纸带转动，电火花只将墨粉盘上某一位置的墨粉蒸发到纸带上，打出的点迹颜色就会较淡。学生在打过一条纸带后可以将墨粉盘转一角度再打另一条纸带。也可以采用另外一种方法：用两条纸带，将墨粉盘夹在中间，拖动纸带时由于两条纸带的摩擦作用，墨粉盘会随纸带转动，电火花将墨粉盘上不同位置的墨粉蒸发到纸带上，所以打出的点迹颜色较深。在墨粉盘上面的纸带没有点迹，可重复使用。

（3）练习使用打点计时器

第一次实验课应向学生介绍实验室要求及安全注意事项。最好让学生课前阅读教科书第95页“学生实验”部分的内容。不要求学生一次就完全读懂，而是要让学生更多地了解物理实验的重要性，对物理实验的意义有更多的认识。实验课要注意培养学坐的实验素质。如实验前指导学生阅读课文，阅读实验器材的说明卡，观察仪器结构、了解仪器功能、操作要领，实验中认真观察实验现象，实验后小组之间可以交流和比较实验结果，相互启发和借鉴。要学生知道，尊重原始测量数据是良好实验素质和科学精神的具体表现。原始测量数据是研究实验现象寻找结论和规律的依据，也是检验、评价实验结果的依据。比如在这次实验中，各小组同学控制拉动纸带的力不一样，所以纸带上点的分布情况是不一样的。每个小组要了解自己实验中点的分布特点，也可以了解其他小组打出点的分布情况。了解差异，分析差异可以提高对实验现象的观察能力。

课前教师可以做一些卡片，卡片的内容围绕实验提出建议。以电磁打点计时器为例，可以在卡片上写出以下的内容：

• 固定打点计时器时要注意：将打点计时器纸带限位器与长木板纵轴位置对齐，使纸带、小车拉线和定滑轮在一条直线上。
• 会用复写纸调节片。安装复写纸时，先将复写纸调节片向外拉出，将复写纸圆片孔套在复写纸定位销上，向里推调节片，可调节复写纸位置；
• 将纸带穿过限位孔，从复写纸下穿过压纸框，从另一侧限位框穿出；
• 电源是50Hz、4～6V的交流电。开启电源等待1～2s再拖动纸带。如果发现振针打不出点，要注意调节振针的高度；纸带打完点后立即切断电源。
• 在纸带上选取计数点，测量计数点之间长度时要用量程在30cm以上透明塑料尺一次测量多组计数点间数值，不要用短刻度尺一段一段的测量计数点间距离，最好用长刻度尺对齐各计数点（不移动尺子）读出各计数点间长度值，避免测量误差的积累，减小偶然误差。

以电火花计时器为例，可以在卡片上写出以下的内容：

• 固定打点计时器时要注意：将打点计时器纸带限位器与长木板纵轴位置对齐，使纸带、小车拉线和定滑轮在一条直线上。
• 墨粉纸盘套在纸盘轴上，有墨粉的一面朝下。如果发现有频率选择开关，可以选择50Hz一挡。
• 将纸带穿过限位孔，从墨粉纸盘下穿过，从另一侧限位框穿出；
• 电源是50Hz、220V的交流电。开启电源等待1～2 s再拖动纸带。纸带打完点后立即切断电源。
• 在纸带上选取计数点，测量计数点之间长度时要用量程在30cm以上透明塑料尺一次测量多组计数点间数值，不要用短刻度尺一段一段的测量计数点间距离，最好用长刻度尺对齐各计数点（不移动尺子）读出各计数点间长度值，避免测量误差的积累，减小偶然误差。

学生用打点计时器打出纸带后，如何计算某时刻（如E点所在位置的时刻）的速度，课本通过图1.4-4告诉我们，计算包括E点在内的六个计时点间的平均速度可以表示E点的瞬时速度。这是因为0.1s的时间间隔对于我们的测量精度来说已经是很小的值了。

（4）用打点计时器测量瞬时速度

通过课本图1.4-4，我们知道计算E点的速度可以用包括E点在内的六个计时点间的平均速度。但是到了图1.4-5又告诉我们计算E点的速度可以用包括E点在内的四个计时点间的平均速度来表示E点的瞬时速度。纸带上E点速度到底用哪段平均速度来表示呢？

课本为我们提出了这样一个观点，如果用平均速度代表E点的瞬时速度，在要求不很精确时，取D、G两点间的平均速度作为E点的瞬时速度也未尝不可。如果取D、F两点间的平均速度代表E点的瞬时速度，就会更准确。

由纸带上某两点间的位移Δx和相应的出就能算出它们之间的平均速度。在Δx（或Δt）很小时，这样算出的平均速度可以看做瞬时速度。对于这点，老师们可能还不习惯。用极限概念定义速度是科学的、严谨的，而实际测量物体速度需要根据问题性质取一定的近似。实际的测量技术测得的瞬时速度常常是在某小段时间内的平均速度，而不是绝对意义上的瞬时速度。

如果说两点间Δt越小，两点间的平均速度就越接近经过其中某点的瞬时速度。但是在图1.4-5中为什么不取时间间隔为0.04s的两点的平均速度呢？课本在图注中这样写道：“D、F两点离E越近，算出的平均速度越接近E点的瞬时速度。然而D、F两点距离过小则测量误差增大。应该根据实际情况选取这两个点。”对于如何理解和把握这个问题，在教学中最好能通过实例说明。

再用第3节中那位老师的实验数据，可以帮助我们做一些分析。由六组数据我们可以看到，在遮光片间距小于3.8cm之后，三组数据的平均速度都是0.41m/s。说明在时间小到一定程度后，遮光片通过A点的平均速度与遮光片的宽度不影响平均速度。所以在AA₄、AA₅、AA₆段的平均逮度都能代表E点的瞬时速度。

（5）用图象表示速度

在实验中用图象来反映物理量间的关系，并寻找其中的规律是学生进入高中学习后必须学习的内容。本节是第一次，而且与后面研究匀变速直线运动不同的是，手拉小车运动的规律不容易描述。所以，如何利用这些点画线，应该让学生知道其中的道理。

实验时，手拉纸带运动时，其速度随时间变化的规律是不知道的，也就是说不知道速度图象是一条什么曲线。在这种情况下我们只能根据测量后所描点的分布和走向，尝试用某条光滑曲线来“拟合”这些测量点。这是实验中常用的方法，学生对此应该有所了解，并且了解从图象（曲线）获取信息的方法。

为了说明手拉纸带的运动规律不容易描述，教学中可以利用各个实验小组的v-t图象，在比较图象异同的过程中使学生认识到，手拉纸带运动时纸带不一定是匀变速直线运动。

另外还需要告诉学生，在确定坐标系横轴、纵轴的单位长度时，要根据实验数据的最大值、最小值合理选取，使描绘的v-t图象能充满坐标平面的大部分空间。

本节在“做一做”栏目中介绍了借助传感器用计算机测速度的方法。从《课程标准》的要求看，该栏目的内容不是硬性的，教师可以根据学校的具体情况安排。有实验条件的学校，可以把此作为课后兴趣活动进行研究。不管是否有条件做这两个实验，但实验的原理还是有必要进行讨论的。第一个测量方法的原理，来自于初中曾经做过的一个问题，即由闪电和雷声的时间差计算发生雷击的地点。第二个实验的原理，可以在学习完两章内容之后再来解决问题。

本节提供的“科学漫步”介绍了气垫导轨和数字计时器。作为测量物体运动速度、加速度的实验方法，这个实验已经被很多学校采用。在本书第5节课后的“问题与练习”第4题中，以此实验方法为依据设计了一个计算加速度的练习。所以，即使在本节课中不介绍此实验，到那时还是要分析此实验的。

3．问题与练习

内容分析

本节练习中有三题是围绕打点计时器工作原理设计的。通过第1题，学生可以更多地关注两种计时器结构上的不同。学生在第4题的体验中，不仅可以进一步体会打点计时器在实验中的作用，而且可以将实验思想延伸到课外，从而拓展学生的实验空间。第2题可以使学生注意对纸带的分析，为今后判断纸带所记录的是减速运动还是加速运动等问题，提供了一个思路。第3题是本书第一次用v-t图描述物体的运动情况，除了回答课本中的问题，教师可以启发学生讨论以下问题：速度变化的方向、速度变化方向与速度方向之间的关系、“v-t”图线是直线，说明速度随时间变化有何规律等，这些讨论可以为下一节学习做些铺垫工作。

解答与说明

1．解答：电磁打点计时器引起的误差较大。因为电磁打点计时器打点的瞬间，会阻碍纸带的运动。

2．解答：（1）纸带左端与重物相连；

（2）测出A点与其右方相邻一点间的距离，记为Δx＝7.0×10^-3m，这两点间所需Δt＝0.02s，所以可以求得这两点间的平均速度v＝$\frac{\mathrm{\Delta }x}{\mathrm{\Delta }t}$＝0.35m/s。因为Δt＝0.02s在要求不高的情况下，可以认为是很小的。所以，A点的速度可以认为等于0.35m/s。

3．答：（1）甲有一定的初速度，乙的初速度为零；

（2）甲的速度不变，乙先做加速运动，再做匀速运动，最后做减速运动。

（3）甲、乙的运动方向都不发生变化。

4．解答：纸带速度越大，相邻两点间的距离越大。纸带速度与相邻两点的时间无关。

发布时间：2015/9/24 下午10:12:57  阅读次数：2168