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111 第四節(jié) 實驗：用打點計時器測速度 一、課標(biāo)要求 1.了解電磁打點計時器和電火花打點計時器的基本構(gòu)成，知道打點計時器的計時原理，并學(xué)會使用打點計時器。 2.通過實例學(xué)會根據(jù)紙帶上的點分析速度的變化情況，并學(xué)會測定平均速度。 3.通過實例學(xué)會用打點計時器測量瞬時速度。 4.學(xué)會用圖象表示速度變化規(guī)律的方法，理解用平滑曲線“擬合”坐標(biāo)系中描出的點來反映客觀規(guī)律的思想。 二、教材分析 這節(jié)課有三個目的：1.學(xué)會是用打點計時器；2.用打點計時器測瞬時速度；3.用圖象表示速度隨時間的變化情況。 由紙帶上某兩點間的位移△x和相應(yīng)的△t就能算出它們之間的平均速度。與過去的教學(xué)不同的是，教材由此又向前走了一步，說明在△x（或△t）很小時，這樣算出的平均速度可以看作瞬時速度，而不是絕對意義上的瞬時速度。對于這一點，老師們可能還不習(xí)慣。這是因為我們過去的物理教學(xué)過于理想化、絕對化，或說與實際問題的距離比較大。實際的測量技術(shù)測得的瞬時速度都是某段時間內(nèi)的平均速度，而不是絕對意義上的瞬時速度。例如汽車上的速度計，無論是用離心測速的方法還是用發(fā)電機測速的方法，轉(zhuǎn)動部分都有一定的慣性，對速度變化的反應(yīng)都需要一段時間，因此，它們實際測得的速度都不是數(shù)學(xué)意義上的“極限”。本節(jié)要求用很小時間間隔內(nèi)的平均速度作為瞬時速度，除了有意加強瞬時速度的理解外，也是拉近物理課與實際、與技術(shù)的距離。 用圖象表示物理量的變化，在生活中是常見的方法，本書在這方面加強了很多。 這節(jié)實驗之后用圖象表示速度時，思路與過去有些不同： 過去在描點之后往往說，“用一條直線（或曲線）連接這些點……”，為什么要用直線（或曲線）而不用別的曲線？因為在過去的實驗中我們都已經(jīng)知道，坐標(biāo)系中的兩個物理量之間的關(guān)系就是直線（例如勻變速直線運動的速度與時間的關(guān)系）。這是驗證性實驗的做法。 這節(jié)中，測的是手拉紙帶的速度，事先并不知道速度隨時間變化的規(guī)律，也就是說不知道圖象是一條什么曲線。這種情況下我們只能根據(jù)所描點子的分布和走向，嘗試用某條曲線來“擬合”這些測量點。這是探究性實驗中常用的方法。 這兩種情況下的作圖，操作步驟相似，但思路不一樣，邏輯線索不一樣，教學(xué)中要注意表達清楚。 第24頁的“說一說”中即要求學(xué)生學(xué)會用圖象表示速度與時間的關(guān)系，又要求學(xué)生知道優(yōu)秀運動員與沒有受過訓(xùn)練的學(xué)生兩人在百米賽時速度變化的不同點。這個欄目的目的是讓學(xué)生體會到，解決實際問題要有比較寬的知識面做基礎(chǔ)，只有課本上的知識是不行的。 25頁“做一做”欄目的目的是把學(xué)科教學(xué)與信息技術(shù)結(jié)合起來。由于這項工作在我國剛剛開始，各地條件不同，所用器材的差別很大，所以這里只給出了原則性的指導(dǎo)，給出了思路。教師應(yīng)該根據(jù)具體條件開展這方面的教學(xué)。 三、教法建議 1.電磁打點計時器與電火花計時器 這兩種計時器由于計時原理相同，所以在實際應(yīng)用中不加區(qū)分，根據(jù)學(xué)校的實際條件，用哪一種都行。對這部分的教學(xué)要注意： （1）突出計時原理，不過分追求工作原理。 （2）要充分向?qū)W生展示實物，以使學(xué)生掌握接入電源的方法和穿紙帶的方法。 （3）明確紙帶上的點是如何反映時間和物體運動情況的。 （4）讓學(xué)生知道電火花計時器必電磁打點計時器誤差小的原因。 2.練習(xí)使用打點計時器 練習(xí)使用打點計時器主要包括兩個方面，一是打點計時器的安裝，特別是紙帶的安裝；二是用紙帶上的點研究物體的運動。由于是第一個學(xué)生實驗，所以教學(xué)中要注意： （1）要讓學(xué)生在教師的指導(dǎo)下按步驟有序操作，培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范進行實驗操作的習(xí)慣。 （2）掌握由紙帶上的點確定物體運動位移與運動時間的方法與原理。 （3）牽拉紙帶一定要讓學(xué)生親自動手操作，然后與紙帶上的點跡分布相對應(yīng)，以感悟運動速度變化情況。 （4）要注意測量點與打點的區(qū)別，并學(xué)會靈活選定測量點。 3.用打點計時器測量瞬時速度 用打點計時器打出的紙帶計算平均速度絕大多數(shù)學(xué)生都能掌握，但用打點計時器測量瞬時速度多數(shù)學(xué)生可能會感到困惑。教學(xué)中要突出： （1）平均速度與瞬時速度主要是描述的精確程度不同。 （2）這里采取的描述方法是：用包含該點在內(nèi)的一小段位移上的平均速度代替該點的瞬時速度。 （3）要求每個0.1s測一次速度，這主要是為了處理實驗數(shù)據(jù)時計算方便，在實際教學(xué)中根據(jù)紙帶上的點的分布情況靈活確定。 （4）要嚴格按實際測出數(shù)據(jù)進行計算，不可主觀臆造，培養(yǎng)學(xué)生嚴肅進行科學(xué)研究的學(xué)習(xí)品質(zhì)。 4.用圖象表示速度 用圖象表示速度，在這里主要是作為一種處理實驗數(shù)據(jù)的方法，而不是作為一個重要知識點，這一點在實際教學(xué)中要充分注意。作為一種方法的教學(xué)，要按一定的思維程序進行： （1）建立坐標(biāo)系，設(shè)定合適的刻度，注明單位。 （2）嚴格按實驗數(shù)據(jù)描點，根據(jù)點的分布定分析速度的變化特點。 （3）描出的點是不連續(xù)的，之所以要用平滑曲線來“擬合”實驗中描出的點，是因為各個時刻都有速度，速度隨時間是連續(xù)變化的，而實驗中又不可能把所有時刻的速度都測出來。 5.“說一說”與“做一做” “說一說”中要求學(xué)生在知道優(yōu)秀運動員與沒有受過訓(xùn)練的學(xué)生兩人在百米賽時速度變化的特點的基礎(chǔ)上，學(xué)會用圖象表示速度與時間的關(guān)系。教學(xué)中要讓學(xué)生主動思考，充分討論，將感性認識用理性的方法表達出來，突出對學(xué)生的能力培養(yǎng)。 “做一做”欄目中用的實驗器材較先進，不同學(xué)校的條件差異很大，所以教學(xué)中教師應(yīng)該根據(jù)具體條件開展這方面的教學(xué)，也可以師生進行互動參與。但不管采用深器材，要突出實驗原理和研究思路。 關(guān)于“科學(xué)漫步”這部分內(nèi)容，可以通過演示讓學(xué)生明確：一是數(shù)字計時器的使用；二是氣墊導(dǎo)軌能提高實驗精度的原因；三是測速度的基本物理思想。 四、教學(xué)資源 （一） 參考資料 1.J0201－1型數(shù)字計時器使用方法 (1)使用前的檢查與調(diào)整：第一步，先不插入光電門，把功能轉(zhuǎn)換開關(guān)K1撥向S1計時檔，打開電源開關(guān)，數(shù)碼管應(yīng)跳字。第二步，把兩個光電門分別插入輸入插座“Ⅰ”、“Ⅱ”，數(shù)碼管應(yīng)停止跳字；如果仍不斷跳字，表明光電門的發(fā)光管光線沒照準接受管，或者光電門的四芯插頭沒插好，應(yīng)仔細加以調(diào)整，直至數(shù)碼管停止跳字為止。第三步，檢查清零性能，按一下“復(fù)位”鈕，數(shù)碼管應(yīng)全部清零；間隔2、3秒鐘連續(xù)接通電源，數(shù)碼管應(yīng)能自動全部清零。 　　儀器接通電源后，要經(jīng)五分鐘預(yù)熱，使時基脈沖達到穩(wěn)定后，再開始使用。 　　(2)S1檔計時：K1置“S1”檔，對任一光電門遮光，便開始計時，露光則停止計時。數(shù)碼管顯示的數(shù)字為遮光的時間值。 　　(3)S2檔計時：K1置“S2”檔，對任一光電門第一次遮光即開始計時，第二次遮光則停止計時。數(shù)碼管顯示的數(shù)字為兩次遮光間隔的時間值。 　　S1和S2檔計時所得時間值的讀數(shù)，為數(shù)碼管顯示的數(shù)字與所取的時基信號單位之積。假如顯示的數(shù)字為153，時基信號為1毫秒時，讀數(shù)為153毫秒；時基信號為10毫秒時，續(xù)數(shù)則為1.53秒。 　　(4)光控計數(shù)：K1置“計數(shù)”，對任一光電門每遮光一次，數(shù)碼管就累加一個字，顯示出遮光的次數(shù)。 　　(5)數(shù)碼管窗口玻璃絲有機玻璃，經(jīng)摩擦?xí)a(chǎn)生靜電，以致感應(yīng)數(shù)碼管的亮段消失，要待一會才能恢復(fù)。因此，在使用過程中，禁忌用手或其它干燥物揩試窗口玻璃，以免造成數(shù)碼管暫時不亮的現(xiàn)象。 2.電火花計時器電路原理 電火花計時器電路原理如圖所示。當(dāng)S1開關(guān)接通時，220V、50Hz交流電壓的正半周通過二極管D1、D4及限流電阻R1對電容器C1進行充電，使電容器上電壓達到交流電壓的峰值311V；在負半周時，通過二極管D3、D2，限流電阻R2及穩(wěn)壓管D5形成回路，穩(wěn)壓管D5的穩(wěn)壓電壓為10V，其作用是限制加到晶閘管觸發(fā)極上的電壓不致過高，晶閘管D6被觸發(fā)，電容器C1上的電壓通過高壓變壓器Ｔ初級線包，二極管D8及晶閘管D6迅速放電，于是在T的次級產(chǎn)生3.5~3.8kV的脈沖電壓，經(jīng)過放電針、墨粉紙盤在普通紙帶上產(chǎn)生放電跡點。電源頻率的每一個周期放電一次，因電源頻率為50Hz，故兩個放電跡點的時間間隔為0.02s。高壓脈沖也可以由接線柱引出，供電火花描跡儀及其他儀器使用。 電火花計時器采用高壓脈沖計時，放電針與運動紙帶是不接觸的，因此避免了計時與紙帶運動的相互干擾。該儀器沒有機械振動部分，可靠性好，整個電路部分密封在塑料盒中，高壓脈沖電流小于0.2mA，安全性好。 若電路發(fā)生故障，應(yīng)特別注意檢查二極管D1~D4有無損壞，C1電容是否擊穿；也可用電阻表直接檢測高壓脈沖輸出插孔兩端，其阻值應(yīng)約為3kΩ。如測得的阻值很大，則說明高壓變壓器次級斷路，應(yīng)進行調(diào)換。 （二）習(xí)題精選 1.小明以同一個打點計時器固定頻率下，測量小車拉動紙帶甲、乙、丙、丁的運動速度，每次車子都是自右向左運動，四段紙帶的長度都相同。則下列敘述哪些是正確？（AB） A.紙帶甲打點均勻，表示車子的速度一定 B.紙帶乙顯示的平均速度最大 C.紙帶丙表示的速度越來越小 D.紙帶丁表示小車的速率越來越大 2.某同學(xué)在“用打點計時器測速度”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。其相鄰點間的距離如圖所示，每兩個相鄰的測量點之間的時間間隔為0.10s。 (1)試根據(jù)紙帶上各個計數(shù)點間的距離，每個0.10s測一次速度，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表(要求保留3位有效數(shù)字) (2)將B、C、D、E、F各個時刻的瞬時速度標(biāo)在直角坐標(biāo)系中，并畫出小車的瞬時速度隨時間變化的關(guān)系圖線。 參考答案： 111