愛華網(wǎng)1.4實驗用打點計時器測速度
一、教材分析
物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué).本節(jié)課為實驗課，目的是讓學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)打點計時器的使用方法，測定物體牽引紙帶的速度，并嘗試用圖象的方法來表示速度隨時間變化的關(guān)系.根據(jù)瞬時速度是在無限短時間內(nèi)的平均速度的思想方法，讓學(xué)生用求平均速度的方法，粗略表示物體運動的瞬時速度.教材這樣處理更進(jìn)一步加深了上節(jié)課對平均速度和瞬時速度概念的理解.當(dāng)然這種用平均速度代替瞬時速度的方法，在勻變速直線運動中有它的準(zhǔn)確性，這要在下一章中學(xué)習(xí)，在此可不必要向?qū)W生介紹這種結(jié)論性的知識，以免沖淡學(xué)習(xí)重點，加重學(xué)生負(fù)擔(dān).本節(jié)課旨在讓學(xué)生學(xué)到科學(xué)實驗中探究的方法，而不是注重探究的結(jié)果多么完美，所以千萬不能讓學(xué)生養(yǎng)成不尊重實驗事實、拼湊實驗結(jié)果的習(xí)慣.要讓學(xué)生在親身體驗描點法作圖象的思想方法，向?qū)W生講清圖象的橫、縱坐標(biāo)，描點法，圖象的物理意義.要充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，讓學(xué)生積極參與.教師要補充一些更為典型的、學(xué)生非常熟悉的、不一定是物理方面的圖象，要突出圖象的直觀性，使學(xué)生對圖象的作用有更多、更深入的了解，為本節(jié)建立物理圖象來分析、尋找物體運動的規(guī)律打下基礎(chǔ).
二、教學(xué)目標(biāo)
知識與技能
1.了解打點計時器的計時原理，理解紙帶中包含的物體運動的信息（時間、位移）.
2.會安裝并使用打點計時器，理解根據(jù)紙帶測量速度的原理并測量瞬時速度.
3.明確速度—時間圖象的物理意義，描點法畫圖象的方法，并畫出該實驗中的速度—時間圖象，能從圖象中獲取有用的信息.
過程與方法
1.通過學(xué)生自己看打點計時器的說明書，培養(yǎng)學(xué)生獨立學(xué)習(xí)的能力.
2.通過實驗得出物體的運動信息，用數(shù)學(xué)方法表述出來.培養(yǎng)學(xué)生獲取信息、處理信息的能力，體會處理問題的方法，領(lǐng)悟如何間接測一些不能直接測量的物理量的方法.
3.通過畫速度—時間圖象培養(yǎng)學(xué)生用圖象法處理數(shù)據(jù)的能力，體驗數(shù)學(xué)工具在物理發(fā)展中的作用.
4.體驗實驗中理性思維的重要，既要動手，更要動腦.
5.經(jīng)歷科學(xué)探究過程，認(rèn)識科學(xué)探究的意義，嘗試應(yīng)用科學(xué)探究的方法研究物體運動.
情感態(tài)度與價值觀
1.感受打點計時器的巧妙設(shè)計思路，體會物理原理在解決實際問題中的指導(dǎo)作用，增強將物理知識應(yīng)用于生活實際的意識.
2.經(jīng)歷實驗過程，體驗科學(xué)實驗過程的艱辛與喜悅，并樂于探索自然界的奧妙.
3.體驗用圖象的方法描述物理現(xiàn)象的樂趣.培養(yǎng)學(xué)生用數(shù)學(xué)方法處理物理問題的意識.培養(yǎng)學(xué)生敢于創(chuàng)新和實事求是的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神.
4.培養(yǎng)學(xué)生合作與交流的精神，有將自己的見解與他人交流的愿望，養(yǎng)成在合作中既堅持原則又尊重他人的習(xí)慣.
三、教學(xué)重點
1.學(xué)會使用打點計時器.
2.能根據(jù)紙帶計算物體運動的瞬時速度.
3.會用描點法描繪物體的速度—時間圖象，并從中獲取物理信息.
四、教學(xué)難點
處理紙帶的方法，用描點法畫圖象的能力.
五、教學(xué)過程
［新課導(dǎo)入］
測定物體的速度并不是一件很容易的事情，特別是當(dāng)物體的運動速度在不停變化時，測定某時刻的速度更是比較困難的，如上下飛舞的蝴蝶，要確定它某一時刻的速度是很困難的.我們現(xiàn)在只研究直線運動的速度的測量問題.
當(dāng)物體沿直線運動時，其位移在不斷變化，要研究物體的運動，我們首先要準(zhǔn)確記錄物體運動的信息.直接測量物體運動的速度在技術(shù)上是比較復(fù)雜的，我們在測量時可以嘗試通過測量物體運動的時間和位移，再經(jīng)過計算或作圖來判斷物體的運動情況.在實驗中，我們可以使用秒表和尺子，直接測量物體運動的時間和位移，但當(dāng)物體運動速度太快時，采用這種方法的測量誤差較大.打點計時器就是一種記錄物體運動位移和時間信息的儀器，我們可以通過測量位移和時間來計算物體運動的速度以及速度的變化快慢.
【課堂活動】
作為同桌的兩位同學(xué)合作，簡易模擬打點計時器.
1.同桌兩位同學(xué)之間，一位同學(xué)手拿一枝彩色畫筆，另一位同學(xué)牽動一條寬約1cm的長紙帶，使紙帶在你的筆下沿著直線緩慢向前移動.你按照一定的時間間隔點擊紙帶（比如每秒1次，或每秒2次），比比看，看誰牽動紙帶的速度變化最小.想一想，相鄰兩點的距離跟牽動紙帶的速度有什么關(guān)系?牽動紙帶的快慢不均勻，對相鄰兩點所表示的時間有沒有影響?
2.兩位同學(xué)競走比賽，為了比較他們的運動情況，現(xiàn)在讓每位同學(xué)都提著底部穿孔、漏沙比較均勻的兩個沙袋一起競走，然后通過他們的漏沙情況來判斷他們的勻速運動情況和加速情況.
以上兩個探究活動目的是讓學(xué)生體驗打點計時器通過打點達(dá)到計時目的的原理.
學(xué)生做完后討論.
生：相鄰兩點間的距離隨著牽動紙帶的速度的增大而加大.紙帶運動的快慢不均勻，點子的間隔也不均勻，但對相鄰兩點間的時間間隔沒有影響.
生：參加競走的兩人若運動快慢比較穩(wěn)定，則漏沙比較均勻，若加速運動，會發(fā)現(xiàn)快的時候漏沙少，慢的時候漏沙多.
［新課教學(xué)］
師：在以上的活動中，同學(xué)們認(rèn)識到了打點和漏沙可以體現(xiàn)物體運動的快慢.今天我們就來學(xué)習(xí)用打點計時器測定物體運動速度的方法，并用圖象把這些速度形象地表示出來.
一、電磁打點計時器
教師布置學(xué)生對照儀器看說明書，引導(dǎo)學(xué)生注意其重點：觀察打點計時器并閱讀其使用說明書，明確電磁打點計時器的結(jié)構(gòu)、各部分的名稱、工作原理及使用方法.
電磁打點計時器是一種使用交流電源的計時儀器，如圖1－4－1所示.工作電壓為4V～6V.當(dāng)電源的頻率是50Hz時，它每隔0.02s打一次點.通電以前，把紙帶穿過限位孔，再把套在軸上的復(fù)寫紙片壓在紙帶的上面.當(dāng)接通電源時，線圈產(chǎn)生的交變磁場使振動片（由彈簧鋼制成）磁化，振動片的一端位于永久磁鐵的磁場中.由于振動片的磁極隨著電流方向的改變而不斷變化，在永久磁鐵的磁場作用下，振動片將上下振動，其振動周期與線圈中的電流變化周期一致，即為0.02 s.位于振片一端的振針就跟著上下振動起來.這時，如果紙帶運動，振針就在紙帶上打出一系列小點.
圖1－4－1 電磁打點計時器
【交流與討論】
電磁打點計時器使用低壓交流電源工作，大家想一想能不能使用直流電源，為什么？
生：工作原理中是靠電流方向的改 變來改變磁鐵的磁場方向，從而促使振動片上下振動，并且振動片的振動周期與電源的電流變化周期一致.若使用50Hz的交流電，打點的時間間隔為0.02s.這個值正好是電源頻率的倒數(shù).
二、電火花計時器
教師布置學(xué)生對照儀器看說明書，引導(dǎo)學(xué)生注意其重點：觀察打點計時器并閱讀說明書，明確兩種打點計時器的結(jié)構(gòu)、各部分的名稱、工作原理及使用方法.
電火花計時器電火花計時器的外形如圖1－4－2所示，它可以代替電磁打點計時器使用，也可以與簡易電火花描跡儀配套使用.
圖1－4－2
使用時電源插頭直接插在交流220V插座內(nèi)，將裁成圓片（直徑約38mm）的墨粉紙盤的中心孔套在紙盤軸上，將剪切整齊的兩條普通有光白紙帶（20 mm×700 mm）從彈性卡和紙盤軸之間的限位槽中穿過，并且要讓墨粉紙盤夾在兩條紙帶之間.這樣當(dāng)兩條紙帶運動時，也能帶動墨粉紙盤運動，當(dāng)按下脈沖輸出開關(guān)時，放電火花不至于始終在墨粉紙盤的同一位置而影響到點跡的清晰度.也可以用上述尺寸的白紙帶和墨粉紙帶（位于下面）做實驗，還可以用兩條白紙帶夾著一條墨粉紙帶做實驗；墨粉紙可以使用比較長的時間，一條白紙帶也可以重復(fù)使用，應(yīng)注意降低實驗成本.
【交流與討論】
從原理上考慮，電火花計時器跟電磁打點計時器相比，哪個更好些，誤差可能會更??？
生：電火花計時器可能會更好些，因為電磁打點計時器中振針和紙帶間的摩擦?xí)笮?
教師評論并系統(tǒng)總結(jié).
師：電火花計時器使用中運動阻力極小，這種極小阻力來自于紙帶運動的本身，而不是打點產(chǎn)生的，因而系統(tǒng)誤差小，計時精度與交流電源頻率的穩(wěn)定程度一致（脈沖周期不大于50 μs，這一方面也遠(yuǎn)優(yōu)于電磁打點計時器），同時它的操作簡易，使用安全可靠（脈沖放電電流平均值不大于5 μA）.
師：打點計時器能記錄哪些信息？
生：時間和位移.
下面的時間交給學(xué)生自主探究.
三、練習(xí)使用打點計時器
學(xué)生自主閱讀教材中的實驗步驟提示.
指導(dǎo)學(xué)生動手練習(xí)使用打點計時器，并引導(dǎo)學(xué)生思考：紙帶上的點與小車的位移和時間是如何對應(yīng)的，怎樣將紙帶上的點變成相關(guān)的數(shù)據(jù)？
【交流與討論】
針對問題，學(xué)生討論實踐后回答.
問題1.電磁打點計時器中怎樣安放復(fù)寫紙和紙帶的位置？
生：將復(fù)寫紙?zhí)自趶?fù)寫紙定位銷上，推動調(diào)節(jié)片，可調(diào)節(jié)復(fù)寫紙位置.將紙帶從復(fù)寫紙圓片下穿過.
問題2.振針打的點不清晰或打不出點可能是哪些原因?怎樣調(diào)整？
生1：可檢查壓紙框的位置是否升高，而阻礙了振動片，振針打不到紙帶上，可將壓紙框向下壓恢復(fù)其原來位置.
生2：可能是復(fù)寫紙該換新的了.
生3：可能是振動片的振幅太小，可調(diào)整振動片的位置.
生4：可能是振針的位置太高，調(diào)整振針的位置，直到打出點為止.
生5：我選的電壓在4 V和6V的情況下，打點的清晰度有點差別，電壓高的時候稍清晰，所以可調(diào)高一點電壓.
問題3.開啟電源打點完畢后要及時關(guān)閉電源，這樣做有什么好處？
生：因打點計時器是按間歇工作設(shè)計的，故長期工作可能會因線圈發(fā)熱而損壞.
投影展示：電火花計時器的紙帶安裝方法（讓學(xué)生閱讀）：
使用電火花計時器在紙帶上打點，安裝紙帶的方法有兩種：一種是用一條紙帶從墨粉盤下穿過，打點時墨粉盤不隨紙帶轉(zhuǎn)動，電火花只將墨粉盤上某一位置的墨粉蒸發(fā)到紙帶上，打出的點跡顏色較淡，打過一條紙帶后要將墨粉盤轉(zhuǎn)一角度再打另一條紙帶.學(xué)生實驗時可采用這一方法.另一種是用兩條紙帶，將墨粉盤夾在中間，拖動紙帶時由于兩條紙帶的摩擦作用，墨粉盤會隨紙帶轉(zhuǎn)動，電火花將墨粉盤上不同位置的墨粉蒸發(fā)到紙帶上，所以打出的點跡顏色較重.墨粉盤上面的一條紙帶沒有點跡，可重復(fù)使用.用一條紙帶打點時，紙帶與打點計時器之間的摩擦阻力較小，用兩條紙帶打點時摩擦阻力較大.不管用哪種方法，打完紙帶后應(yīng)立即切斷電源.
師：處理紙帶時，從能夠看清的某個點開始，往后數(shù)出若干個點.如果數(shù)出n個點，這些點劃分出來的時間間隔數(shù)是多少？
生：共（n－1）個.
學(xué)生親自手拉紙帶練習(xí)使用打點計時器，自己設(shè)計表格，記錄測量數(shù)據(jù).
【思考與討論】
師：怎樣根據(jù)紙帶上的點跡計算紙帶的平均速度？
生：測出兩個點間的距離，數(shù)一下這兩個點間共有多少個時間間隔，即有多少個0.02 s，用這個總距離去除以所需用的時間.
【課堂訓(xùn)練】
出示題目：
打在紙帶上的點，記錄了紙帶的運動時間.如果把紙帶和運動的物體連接在一起，紙帶上的點就相應(yīng)地表示出運動物體在不同時刻的位置.研究紙帶上的點子之間的間隔，就可以了解運動物體在不同時間內(nèi)發(fā)生的位移，從而了解物體的運動情況.請你用簡短的語言描述圖1－4－3所示每條紙帶記錄的物體的運動情況.
圖1－4－3
參考答案：（a）、（b）的各點分布較為均勻，是勻速運動，但從點子的疏密程度來看，（b）上的點子較稀疏，所反映的物體運動較快，速度較大.（c）表示物體運動得越來越快，速度在增大；（d）表示物體運動得越來越慢，速度在減小.
四、用打點計時器測量瞬時速度
思想方法：用某段時間內(nèi)的平均速度粗略代表這段時間內(nèi)的某點的瞬時速度.所取的時間間隔越接近該點，這種描述方法越準(zhǔn)確.
示例：如圖1－4－4，測量出包括E點在內(nèi)的D、F兩點間的位移Δx和時間Δt，算出紙帶在這兩點間的平均速度=，用這個平均速度代表紙帶經(jīng)過E點時的瞬時速度.
圖1－4－4
可以大致表示E點的瞬時速度，D、F兩點離E點越近，算出的平均速度越接近E點的瞬時速度.然而D、F兩點距離過小則測量誤差增大，應(yīng)該根據(jù)實際情況選取這兩個點.
學(xué)生根據(jù)粗略表示某點瞬時速度的方法，選擇合適的計數(shù)點，測量包含這個點的一段時間內(nèi)的位移Δx，同時記錄對應(yīng)的時間Δt，填入教材第23頁中設(shè)計好的表1中.
根據(jù)=算出剛填完的表1中各點附近的平均速度，把它當(dāng)作計時器打下這些點時的瞬時速度，抄入教材第24頁表2中.從該表中能粗略看出手拉紙帶運動的速度變化情況.
【課堂訓(xùn)練】
出示題目：
如圖1－4－5所示，打點計時器所用電源的頻率為50 Hz，某次實驗中得到一條紙帶，用毫米刻度尺測出各點間的距離為：AC=14.0 mm，AD=25.0mm.那么由此可以算出紙帶在AC間的平均速度為__________m/s，紙帶在AD間的平均速度為_____________m/s；B點的瞬時速度更接近于____________m/s.
圖1－4－5
參考答案：0.350.42 0.35
解析：AC間的平均速度為=m/s=0.35m/s，AD間的平均速度為=m/s=0.42m/s.對描述B點的瞬時速度來說，AC段所取的位移間隔更小，更能接近B點的真實速度，即B點速度更接近于0.35m/s.
五、用圖象表示速度
師：剛才我們從表2中的數(shù)據(jù)可以粗略看出我們自己手拉紙帶運動的速度變化情況，圖象是表示變化規(guī)律的好方法，我們可以用圖象來描述物體的速度變化情況，那么怎樣用圖象來表示物體運動的速度呢？請同學(xué)們先看課文并回答.
生：在方格紙上建立直角坐標(biāo)系，用縱坐標(biāo)表示物體運動的速度，用橫坐標(biāo)表示時間，根據(jù)表中各時刻的速度，將（v，t）作為一組坐標(biāo)在圖象中描點，將點連線后得出的圖象稱為速度—時間圖象（v-t圖象），簡稱速度圖象.
學(xué)生具體操作描點.
師：我們從根據(jù)實測數(shù)據(jù)所描的點，可以從這些點的走向大致看出紙帶速度的變化規(guī)律.
師：為了更清晰，你可以把這些點用折線連起來.
在老師的提示和幫助下連線.
師：速度的實際變化應(yīng)該是比較平滑的，所以，如果用一條平滑的曲線來“擬合”這些點，曲線反映的規(guī)律應(yīng)該與實際情況更接近.
指導(dǎo)學(xué)生換用紅色筆用平滑的線將剛才描過的點再重新描畫一遍.
師：我們現(xiàn)在來觀察圖象，可以更形象直觀地顯示自己手拉紙帶的運動情況.
【
六、課堂小結(jié)
電磁打點計時器和電火花計時器都是記錄運動物體在一定時間間隔內(nèi)位移的儀器.v－t圖象：表示做直線運動物體的速度隨時間變化的規(guī)律.某段時間圖線與時間軸圍成的面積值表示該段時間內(nèi)物體通過的位移大小.形狀一樣的圖線，在不同圖象中所表示的物理規(guī)律不同.
