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高一—粤教版—物理—第一章
第四节 测量直线运动物体的瞬时速度
教学目标：
1. 了解电磁打点计时器和电火花计时器的构造，理解其工作原理。
2．经历使用打点计时器收集运动信息的过程，学会规范、熟练的使用打点计时器。
3.会运用纸带上的点迹计算物体运动的平均速度，理解用无穷短时间内的平均速度表示瞬时速度的方法，会用这种方法测量物体运动的瞬时速度。
4.能运用实验数据描绘物体运动的 v-t 图像，并会根据画出的 v-t 图像描述物体的运动情况。
5.了解数字计时器与光电门的基本结构，理解其工作原理，会用此装置测量物体运动的瞬时速度和平均速度。
教学重点：
1.学会规范、熟练的使用打点计时器；
2.理解纸带包含的物体运动的信息；
3.理解测量瞬时速度的方法。教学难点：
能够在纸带上求出平均速度和瞬时速度；
对不同实验方法、仪器的理解。教学过程：
【新课导入】
复习回顾：怎样求出物体在某一位置瞬时速度的大小？可以用该位置前后无穷短时间内的平均速度来表示。
当物体沿直线运动时，要想直接测量物体运动的瞬时速度在技术上是比较复杂的，但是，我们可以使用秒表和刻度尺测量出物体运动的时间和位移，进而求出平均速度，当时间较短时，该平均速度就接近于瞬时速度。
【新课讲授】一、打点计时器
本节课我们要使用的仪器是打点计时器。打点计时器是一种通过在纸带上打出一系列的点来记录物体运动信息的仪器。通过分析纸带上的点，可以研究物体的运动规律。实验室常用的打点计时器有电火花计时器和电磁打点计时器两种。
教师对两种计时器的构造、工作原理、基本操作做介绍，采用实物录像的方式。具体内容如下：
电磁打点计时器，其工作电压为 4-6V 低压交流电源。其主要构造有接线柱、线圈、永久磁铁、针片、振针、两个限位孔、复写纸。接通电源前，把纸带穿过限位孔，并压在复写纸的下面；接通电源后，在线圈和永久磁铁的作用下,振片上下振动，位于振片一端的振针就跟着上下振动，此时，如果拽动纸带，振针就会通过复写纸在纸带上打出一系列小点。然后关闭电源。
电火花打点计时器，其工作电压为 220V 交流电源。主要构造有正脉冲输出插座、负脉冲输出插座、脉冲输出开关、纸盘轴、放电针、墨粉纸盘。使用时将墨粉纸盘套在纸盘轴上，装上弹性卡。把纸带穿过限位孔，并压在墨粉纸盘的下面。接通 220V 的交流电源后，计时器发出脉冲电流，经接正极的放电针、墨粉纸盘到接负极的纸盘轴，产生火花放电，便在运动的纸带上打下一系列小点。然后关闭电源。
教师总结：两种计时器的构造不同，打点方式不同，因而其误差来源也不同，电磁打点计时器的误差主要来源于纸带与限位孔之间的摩擦以及振针与纸带打点接触时的摩擦；电火花计时器的误差主要来源于纸带与限位孔之间的摩擦。由此可见，使用电火花计时器产生的误差会更小一些。
此外，两种计时器的工作电压虽然不同，但是，都是使用的交流电。当交流电的频率为 50Hz 时，根据周期和频率成倒数关系，可知打点周期为 0.02s，即每隔 0.02s 打一次点。
讨论与交流
1．为什么打点计时器不能使用直流电源？
2．假设交流电源的频率是 80Hz，那么它将每隔多长时间打一次点？
3．打出的纸带上记录了物体运动的哪些信息？
4．怎样求出纸带上某一段时间内的平均速度？
二、学生实验
在了解了打点计时器的使用方法及对纸带的处理方法之后，我们进行本节课的学生实验。
实验目的：测量沿斜面运动小车的瞬时速度。
实验原理：要测量物体在某一点的瞬时速度，可以用测量包含这一点的平均速度来近似代替。
例如，要测量小车打下点 E 时的瞬时速度，可以用 DF 段的平均速度来代替，也可以选择更近的 DF 段。
思考：是否间隔越小越好？
——不是，因为当测量距离较小时，读数产生的相对误差增大。因而，要根据实际情况来选取 DF，如果点迹较密，就可以隔几个点选取。
实验器材：长木板、垫木、小车、电火花计时器、220V 交流电源、纸带、墨粉纸盘、毫米刻度尺。
实验步骤：（1）把打点计时器固定在斜面的顶端，将纸带的一端固定在小车后面，另一端穿过限位孔并位于复写纸的下面，将小车放置在斜面上靠近打点计时器的位置，检查小车、纸带、限位孔是否处于同一直线。
（2）接通电源，让打点计时器开始打点，再释放小车，纸带上打出一系列的点。然后关闭电源，取下纸带。
（3）在纸带上选取一段清晰的点迹，测量数据，记录数据。实验数据记录与处理：
（1）在纸带上选取点迹清晰的一段，将某个能看清的点标为 0，以后每 5 个点（或每隔 4 个点）标一个计数点，则相邻计数点间的时间间隔是 T=0.1s。
（2）用刻度尺测量出相邻计数点间的位移为 s1、s2、s3、s4、s5，将测量结果填入表中。
（3）求出各点的瞬时速度。计数点 1 的瞬时速度可以用计数点 0 和 2 之间的平均速度代替，以此类推，分别求出打下计数点 1、2、3、4 时小车的瞬时速度。
v s1 s2
v s2 s3
v s3 s4
v s4 s5
1 2T
2 2T
3 2T
4 2T
将相关数据填入设计好的表格中，如下：
（4）根据表中的数据，在图 1-4-6 中作出 v-t 图像（以 0 计数点作为计时起点），并根据图像说明小车的运动情况。
实验结论：在误差范围内，小车的速度随时间均匀增加。
误差分析：1.用毫米刻度尺测量位移时产生的读数误差。
2.电源频率不稳定造成打点周期不一定是 0.02s。实验注意事项：
打点前，应使物体停在靠近打点计时器的位置。（这样可以在纸带上多打一些点）。
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)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。
(4)对纸带进行测量时，不要分段测量各段的位移，正确的做法是一次测量完毕(可先统一测量出各个计时点到起始点 O之间的距离)。读数时应估读到毫米的下一位。
三、数字计时器
接下来我们学习实验室中常用的另一种可以测量速度的仪器——数字计时器。
1．计时装置的组成
由数字计时器和光电门组成。
光电门
光电门的外形像门，其一边安装发光装置(红外发光二极管) ，另一边安装光线接收装置(光敏元件) ，并都与数字计时器连接。当宽度一定的物体通过光电门时，光线被遮挡，数字计时器开始计时；当物体离开光电门时，数字计时器停止计时。
教师演示实验。
同学们注意，这里的 10.9 单位是 ms，即 10.9*10-3s，因而这个时间是极短的，我们可以认为这个极短时间内的平均速度等于小球通过光电门时的瞬时速度。
光电门测瞬时速度
光电门测平均速度
数字计时器还可以记录物体经过两个光电门之间的时间重新连接电路，使得第一个光电门遮光时开始计时，第二个光电门遮光时停止计时，计时器显示的是物体先后通过两个光电门之间的时间间隔。
再借助刻度尺即可求出物体经过两光电门之间的平均速度。
【课堂小结】
要测量物体在某一点的瞬时速度，可以用测量包含这一点的较短时间内的平均速度来近似代替。

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