运动参量的测量.docx

运动参量的测量.docx

《运动参量的测量.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《运动参量的测量.docx（18页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

运动参量的测量

第3单元运动参量的测量

备课组成员：

杨健、刘军、张乾燕、钱正菊、吕丹、赵永文

主备人：

备课时间：

2014.10.29

一．内容及其解析

（一）内容

本单元的内容如下:

本单元主要内容：

高中物理实验的基本知识认识及仪器的的使用、使用各种仪器测量运动参量（位移、时间、速度和加速度）。

核心内容：

分析处理实验数据（利用实验数据计算速度、加速度，会在

坐标系中描点、拟合直线并描述物体运动的规律）。

（二）解析

1、对核心内容的分析

本单元是在匀变速直线运动规律的基础上，进一步利用实验研究各运动参量的测量方法。

本单元说先认识物理实验的基本概念仪器的认识，然后主要利用打点计时器（频闪照片和气垫导轨）分别测量个参量，最后是处理实验数据。

打点计时器的使用和实验数据的分析是本单元的主要内容。

实验数据的处理是对匀变速度直线运动规律的巩固，其分析方法贯穿于高中物理实验，在物理高考力学实验中更是占有重要比例，所以分析处理实验数据（利用实验数据计算速度、加速度，会在

坐标系中描点、拟合直线并描述物体运动的规律）是本单元的核心内容。

二、目标及其解析

（一）目标

1.单元目标

（1）能正确、熟练地使用打点计时器

（2）会根据纸带的点迹计算瞬时速度和加速度

（3）能运用实验数据描绘速度时间图像，并会根据图像描绘运动特点。

2.课堂教学目标

（1）了解实验的误差分类，知道系统误差和偶然误差的来源，会计算绝对误差和相对误差，知道有效数字的读数规则。

（2）认识打点计时器的分类和原理，掌握打点计时器的使用方法。

（3）了解打点计时器测速度的实验方法，掌握测量瞬时速度和根据数据描绘速度时间图像的方法。

（4）了解用打点计时器探究小车速度随时间变化的规律的方法，知道如何判定小车做匀变速直线运动，掌握计算小车的加速度、瞬时速度的方法。

（5）了解利用气垫导轨和光电门测速度的方法，会根据光电门的测量数据计算瞬时速度和加速度。

（6）了解用频闪照相法测量物体速度的方法，会根据频闪照片的数据计算物体的速度和加速度。

（二）解析

1.认识打点计时器的分类和原理，掌握打点计时器的使用方法是指知道两种计时器，了解计时器的工作原理，会根据计时器的电源频率计算打点间隔时间和知道计时器在使用过程中的注意事项。

2.了解打点计时器测速度的实验方法，掌握测量瞬时速度和根据数据描绘速度时间图像的方法是指知道实验步骤，会利用毫米刻度尺测量纸带点迹长度，会计算两个计数点间的时间，会根据平均速度计算瞬时速度和利用加速度定义式计算加速度。

能够根据数据在坐标中合理选取横纵坐标数值然后描点连线绘制速度时间图像。

3.了解用打点计时器探究小车速度随时间变化的规律的方法，知道如何判定小车做匀变速直线运动，掌握计算小车的加速度、瞬时速度的方法是指知道在实验中用纸带的运动规律代替小车的运动规律，然后利用逐差公式结合数据判断小车运动类型，利用平均速度公式计算中间时刻瞬时速度，利用图像和逐差公式计算加速度。

4.了解利用气垫导轨和光电门测速度的方法，会根据光电门的测量数据计算瞬时速度和加速度是指光电门遮光板的长度

已知，并且非常小，由于滑块通过光电门的时间

非常短，所以在这段时间内滑块的平均速度代替滑块通过光电门的瞬时速度，利用速度位移公式计算加速度。

三、教学问题诊断分析

在本单元教学中可能遇到的主要困难是实验数据的分析，本单元的实验均为验证性实验，所以实验的重点倾向于数据的处理和分析，而试验方法的要求较低，学生在数据的计算方法的选择和准确性层次上会出现较多问题，所以在教学中应该结合匀变速度直线运动的规律分析数据，给学生留有足够的时间去计算。

四.教学支持条件分析

五.教学过程设计

3.1实验误差及有效数字

问题一某学生在利用毫米刻度尺测量物理教材的长度时，由于尺子始端磨损以及读数时人眼稍微偏差，导致测量数据仅为32.45cm，而教材的真实长度为32.50cm。

请问：

（1）测量值的误差来源？

是属于系统误差还是偶然误差？

（2）测量值的相对误差和绝对误差分别是多少？

（3）测量值与真实值分别有几位有效数字？

设计意图：

通过本题的解决让学生了解系统误差和偶然误差，会计算相对误差和绝对误差，知道有效数字的位数。

师生活动：

1.物理实验中的误差可以完全避免吗？

2.误差有哪些类型？

3.系统误差与偶然误差的主要来源？

4.相对误差与绝对误差的计算方法？

5.有效数字位数的读数规则？

例1某质点做匀加速直线运动，通过A、B两点的速度分别为1.403m/s、2.561m/s。

则A、B两点的平均速度（保留三位有效数字），A、B两点中间时刻的速度（保留三位小数）。

1.误差：

测量值与真实值的差异称为误差。

从误差来源来看，误差可以分为系统误差和偶然误差；评价实验测量结果的优劣，从分析数据看，误差分为绝对误差和相对误差。

（1）系统误差：

是由于仪器结构的缺陷、实验方法不完善造成的。

①实验原理不够完备。

如用伏安法测电阻时，电流表和电压表的内阻对实验结果的影响。

②实验仪器本身的误差。

由于仪器本身的缺陷，如天平砝码的标称质量不准，电表指针没有对准零刻度线，打点计时器的振针位置和电压高低对实验结果产生的影响。

③实验方法粗略而产生的误差。

如验证机械能守恒定律，忽略空气阻力对实验的结果产生的影响。

系统误差的基本特点是：

实验结果总是具有相同的倾向性，即总是偏大或偏小。

减小系统误差的方法：

完善实验原理，提高实验仪器的测量精度，设计更精巧的实验方法。

（2）偶然误差：

由于各种偶然因素对实验者和实验仪器的影响而产生的。

偶然误差的基本特点：

实验结果有时偏大，有时偏小，且偏大和偏小的机会相等，减小偶然误差的方法是多次实验的平均值作为实验的结果。

（3）绝对误差：

是测量值和真实值之差。

（4）相对误差：

是绝对误差和真实值之比，它反映实验结果的精确程度。

引入绝对误差和相对误差两个概念是为了评价测量结果的优劣，绝对误差只可以判别一个测量结果的精确度；比较两个测量值的准确度则必须用相对误差。

2.有效数字：

测量肯定有误差，测得的数值就只能是近似值，带有一位不可靠数字的近似值叫有效数字。

有效数字的最后一位是误差所在位。

有效数字的位数与小数点位置无关，如214与21.4都是三位有效数字。

关于“0”是不是有效数字可以这样判断：

从左往右数以第一位不为零的数字为准，其左边的“0”不是有效数字，其右边的“0”是有效数字。

有效数字的读数规则:

在测量中，要按照有效数字的规则来读数，测量仪器的读数规则是：

测量误差出现在哪一位，读数就应该读到哪一位。

一般可根据测量仪器的最小分度来确定读数误差出现的位置。

最小分度为“1”的仪器，测量误差出现在下一位，下一位按十分之一估读，如最小刻度是1mm的刻度尺，测量误差出现在毫米的十分位上，应估读到十分之几毫米。

最小分度为“2”或“5”的仪器，测量误差出现在同一位，同一位分别按二分之一或五分之一估读，例如学生用量程为0.6A的电流表，最小分度为0.02A，测量误差出现在安的百分位，估读半小格，不足半小格的略去，超过半小格的按半小格估读。

游标卡尺、秒表、电阻箱不需要估读。

3.2认识打点计时器

问题二

1.电磁打点计时器是一种使用________电源的计时仪器，它的工作电压为________，当电源频率为50Hz时，它每隔________s打一次点．使用电磁打点计时器时，应将纸带穿过________，复写纸套在定位轴上，并要放在纸带的________面；应把________电源用导线接在接线柱上，打点时应先________，再让纸带运动。

2.电火花打点计时器是一种使用________电源的计时仪器，它的工作电压为________，当电源频率为50Hz时，它每隔________s打一次点．使用电磁打点计时器时，应将纸带穿过________，复写纸套在定位轴上，并要放在纸带的________；应把________电源用导线接在接线柱上；打点时应先________，再让纸带运动．

设计意图：

师生活动：

1.电磁打点计时器

电磁打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器，如上图所示．工作电压为4～6V．当电源的频率是50Hz时，它每隔0.02s打一次点．通电以前，把纸带穿过限位孔，再把套在轴上的复写纸片压在纸带的上面．当接通电源时，线圈产生的交变磁场使振动片（由弹簧钢制成）磁化，振动片的一端位于永久磁铁的磁场中．由于振动片的磁极随着电流方向的改变而不断变化，在永久磁铁的磁场作用下，振动片将上下振动，其振动周期与线圈中的电流变化周期一致，即为0.02s．位于振片一端的振针就跟着上下振动起来，这时，如果纸带运动，振针就在纸带上打出一系列小点（电磁打点计时器的主要误差来源）．

2.电火花计时器

使用时电源插头直接插在交流220V插座内，将裁成圆片（直径约38mm）的墨粉纸盘的中心孔套在纸盘轴上，将剪切整齐的两条普通有光白纸带（20mm×700m

m）从弹性卡和纸盘轴之间的限位槽中穿过，并且要让墨粉纸盘夹在两条纸带之间．这样当两条纸带运动时，也能带动墨粉纸盘运动，当按下脉冲输出开关时，放电火花不至于始终在墨粉纸盘的同一位置而影响到点迹的清晰度．也可以用上述尺寸的白纸带和墨粉纸带（位于下面）做实验，还可以用两条白纸带夹着一条墨粉纸带做实验；墨粉纸可以使用比较长的时间，一条白纸带也可以重复使用，应注意降低实验成本．

练习：

1.打点计时器是（）

A．测量时间的仪器B．测量加速度的仪器C．测量长度的仪器D．测量速度的仪器

2.实验室中为什么选用电火花打点计时器？

3.3实验一：

练习使用打点计时器

问题三

一同学利用打点计时器打出的纸带分析小车的运动速度时的实验步骤如下：

A．把打点计时器固定在带有定滑轮的长木板上，把复写纸套在定位轴上，让连接小车的纸带穿过限位孔，电磁打点计时器中纸带压在复写纸下面；

B．把打点计时器接在10V以下的直流电源上；

C．拉动纸带后，再接通电源；

D．取下纸带，以纸带上起始点为O，依次在每个点上标出A、B、C、D、E五个点，用刻度尺分别量出两点间的距离。

得到了如图所示的纸带，若所选电源的频率为50Hz，从O点开始，每两个计数点之间还有4个计时点未画出．测得OA＝3.20cm，AB＝3.90cm，BC＝5.86cm，CD＝7.58cm，DE＝9.72cm.

（1）试纠正以上步骤中错误之处；

（2）判断纸带的运动类型；

（3）AC、AD、AE、BD、BE段的平均速度（保留三位有效数字）；

（4）B、C两点的瞬时速度（保留三位有效数字）；

（5）能否算出O、E点的瞬时速度？

设计意图：

通过此题让学生认识两种打点计时器使用的注意事项、如何由打出的纸带确定物体运动各个参量。

师生活动：

1.打点计时器在使用步骤中应注意哪些事项？

2.如何由纸带上的点迹确定物体的运动性质？

3.如何由纸带上的点迹确定物体的运动时间？

4.如何由纸带上的点迹确定物体的位移？

5.如何由纸带上的点迹计算某段时间内的平均速度？

6.如何由纸带上的点迹计算某点的瞬时速度？

例1下图是一位同学利用电磁打点计时器打出的一条纸带，所选电源频率为50Hz，纸带旁边是一把最小刻度为1mm的直尺，试计算拖着纸带做直线运动的物体：

（1）在AC这段时间内的平均速度；

（2）在B点的瞬时速度．

（3）上例中若电源频率低于50Hz时，如果仍按50Hz的时间间隔打一个点计算，则测出的速度数值将比物体的真实值是偏大还是偏小？

设计意图：

巩固学生如何用打点计时器计算运动时间以及平均速度和瞬时速度的计算方法，让学生学会正确读取毫米刻度尺的测量值。

练习：

1.某次实验用打点计时器交流电的频率为50Hz，纸带的记录如图所示,图中O点为纸带的第一个点，接下来的前几个点模糊,因此从A点开始每打五个点取一个计数点,

（1）推测纸带的运动是加速还是减速？

（2）在打出A、F这两点的时间间隔中，纸带运动的平均速度是多大？

（3）A、B、C、D、E五个点的瞬时速度各为多大？

（4）请设计纸带运动的v-t图像？

设计意图：

进一步加强学生对打点计时器时间、平均速度和瞬时速度的计算以及v-t图像的作图能力，锻炼学生的数据运算能力。

3.4实验二：

探究小车速度随时间变化的规律

问题四：

某学生在用打点计时器做“探究小车速度随时间变化的规律”的实验时：

1.其开始时的装配图如

下图所示，其

中有错误与不妥之处，请把它找出来。

2.实验室提供了以下器材：

打点计时器、一端附有滑轮的长木板、小车、纸带、细绳、钩码、刻度尺、导线、交流电源、复写纸、弹簧测力计，其中在本实验中不需要的器材是________。

3.如图所示是由打点计时器得到的表示小车运动过程的一条清晰纸带，纸带上两相邻计数点间还有四个点没有画出，打点计时器打点的时间间隔T＝0.02s，其中x1＝7.05cm、x2＝7.68cm、x3＝8.33cm、x4＝8.95cm、x5＝9.61cm、x6＝10.26cm.

（1）请根据题目中所给的数据判断小车的运动性质；

（2）请根据题目中所给的位移计算小车的加速度（保留三位有效数字）；

（3）请在表中填入打点计时器打下B、C、D、E、F五个点的小车的瞬时速度（保留三位有效数字）；

位置

B

C

D

E

F

速度

（m·s-1）

（5）以A点为计时起点，在坐标图中画出小车的速度-时间关系图线，并根据你画出的小车的速度-时间关系图线计算出的小车的加速度a＝______m/s2（保留三位有效数字）。

设计意图：

通过此题让学生了解在探究“探究小车速度随时间变化的规律”的实验器材和注意事项，以及掌握如何根据纸带判断小车的运动性质、计算瞬时速度和加速度的方法，同时锻炼学生的计算能力。

师生活动：

1.简述“探究小车速度随时间变化的规律”实验的步骤以及注意事项；

2.如何通过纸带数据判断小车的运动类型；

3.如何通过纸带数据计算小车的瞬时速度；

4.根据瞬时速度作

图像时应该注意哪些事项；

5.根据纸带数据计算小车加速度的方法有哪些。

说明：

1.实验步骤：

（1）一端附有定滑轮的长木板平放在实验桌上，并使定滑轮伸出桌面，把打点计时器固定在长木板上远离定滑轮的一端，连接好电路。

（2）把一条细线拴在小车上，使细线跨过定滑轮，下边挂上适合的钩码，启动打点计时器，然后释放小车，让小车拖着纸带运动，打完一条纸带立即关闭电源。

（3）换上新纸带，重复以上操作3次。

（4）在

坐标系上描点，拟合图线。

在3条纸带中选择一条点迹最清晰的，舍去开头一些过于密集的点，找一个适当的点当做计时起点。

每5个点取一个计数点进行测量，设相邻两个计数点的时间间隔为T。

例1在探究小车速度随时间变化规律的实验中，得到一条如图所示的纸带，按时间顺序取O、1、2、3、4、5、6都为共7个记数点。

0到6每相邻两记数点间各有四个打印点未画出，测得相邻计数点的距离依次为S1＝1.40cm，S2＝1.90cm，S3＝2.38cm，S4＝2.88cm，S5＝3.39cm，S6＝3.87cm。

（1）在计时器打出点1、2、3、4、5时，小车的速度分别为V1＝　　　　m/s,V2＝m/s,V3＝m/s,

V4＝m/s,V5＝m/s（保留三位有效数字）。

（2）在图中作出速度-时间图像，并由图像求出小车的加速度a＝m/s2（保留三位小数）。

例2利用打点计时器研究一个约1.4m高的商店卷帘窗的运动。

将纸带粘在卷帘底部，纸带通过打点计时器随卷帘在竖直面内向上运动，打印后的纸带如图所示，数据如表格所示。

纸带中每相邻两点之间的时间间隔为0.10s，根据个间距的长度，可计算出卷帘在各间距内的平均速度，可以将平均速度近似地作为该间距中间时刻的瞬时速度v。

（1）请根据所提供的纸带和数据，绘出卷帘窗运动的v-t图线。

（2）AK段的平均速度为m/s。

练习：

1.在利用打点计时器测量匀变速直线运动的加速度的实验中，

（1）测量原理根据的公式是a=____________．

（2）实验中要用到的器材和测量仪器有（）

A.小车B.一端带滑轮的木板C.打点计时器D.低压交流电源E．小钩码

F.秒表G.刻度尺H.纸带I.细绳

（3）某学生在实验中操作有如下步骤，试按合理的顺序把步骤序号填在下面的线上_______．

A．把穿过打点计时器的纸带固定在小车后面；

B．把打点计时器固定在木板没有滑轮的一端，并与电源相连接；

C．换上新纸带，重作两次实验；

D．把长木板平放在实验桌上，并使滑轮伸出桌边；

E．先让小车停在靠近打点计时器处，接通电源，放开小车；

F．把一条跨过滑轮的细绳一端拴在小车上，另一端吊一钩码；

G．断开电源，取下纸带；

H．求出三次测量加速度的平均值，作为测量的最后结果．

2.某次研究匀变速直线运动的实验中，用打点计时器打出小车带动的纸带如图，相邻计数点间的距离分别用S1、S2、S3、S4、S5、S6表示，计数点间的时间间隔用T表示，则如下计算小车加速度大小的式子中正确的是（）

A．（S6-S1）/（5T2）B．（S3+S4-S1-S2）/（2T2）

C．（S5-S2）/（3T2）D．（S4+S5+S6-S1-S2-S3）/（9T2）

3.用打点计时器打出下落物体带动的纸带如图．电源的频率为50Hz，从纸带上连续取出A、B、C、D、E、F六个计数点，用米尺测出A、B两点间距离S1=4.08cm，E、F两点间距离S2=5.64cm，试写出用S1、S2和相邻两点间时间间隔T计算重力加速度的公式g=_______，代入数据求出g=______．（保留三位有效数字）

4.用打点计时器测量物体做匀变速直线运动的瞬时速度

（1）测量原理根据的公式V=___________．

（2）用打点计时器打出下落重锤带动的纸带如图，电源的频率为50Hz，从纸带上连续取出A、B、C、D四个点，用米尺量出A、B、C、D到计数点0的距离标在纸带下面．则打下B点时重锤的瞬时速度VB=________m/s，打下C点时重锤的瞬时速度VC=_________m/s．（保留三位有效数字）

5.某次用打点计时器研究匀变速运动的实验中，用打点计时器打出小车带动的纸带如图，电源的频率为50Hz．在纸带上按时间顺序取0、1、2、3、4、5共六个计数点，每相邻的两点间均有四个点未画出．用米尺量出1、2、3、4、5点到0点的距离标在了纸带下面，则小车的加速度大小为________，方向_________．

6.图示的纸带是由斜面下滑的小车通过打点计时器拉出来的，打点的时间间隔是0.02s，现按每10个点划分纸带，数据已标在图上，则小车运动的加速度为_________.（保留三位有效数字）

7.某同学在研究小车的运动实验中，获得一条点迹清楚的纸带，如图所示，已知打点计时器每隔0.02s打一个点，该同学选择了A、B、C、D、E、F六个计数点，测量数据如图中所示，单位是cm.

（1）小车做什么运动？

（2）试计算瞬时速度vB、vC、vD、vE各多大？

8.在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，若电源的频率为50Hz，记录小车运动的纸带如图所示，在纸带上选择0、1、2、3、4、5共6个计数点，相邻两计数点之间还有四个计时点未画出，已测得各计数点到0的距离见下表。

距离

d10

d20

d30

d40

d50

测量值／cm

1.00

4.00

9.00

16.00

25.00

（1）打点计时器使用的是__________电（填“交流”或“直流”）；

（2）相邻两计数点间对应的时间是________s；

（3）小车通过计数点“2”的瞬时速度为v2=_________m/s（保留三位有效数字）；

（4）小车的加速度是a=_________m/s2（保留三位有效数字）。

实验三：

利用光电门测速度

当物体在导轨上运动时，光电门利用光敏电阻的特性记录了遮光板通过光电门的时间，而遮光板的长度

已知，并且非常小，由于滑块通过光电门的时间

非常短，在这段时内滑块的运动可以看成匀速直线运动，所以遮光板通光光电门时的瞬时速度等于遮光板通过光电门时的平均速度

。

例如图所示，滑块在牵引力作用下先后通过两个光电门，配套的数

字毫秒计记录了遮光板通过第一个光

电门的时间为Δt1＝0.29s，通过第二个光电门的时间为Δt2＝0.11s，已知遮光板的宽度为3.0cm，分别求滑块通过第一个光电门和第二个光电门的速度大小。

实验四：

利用频闪照相法分析计算物体的速度

频闪照相法是一种利用照相技术，每隔一定时间曝光，从而形成间隔相同时间的影像方法，在频闪照相中会用到频闪灯，它每隔相等时间闪光一次，例如每隔0.1秒闪光一次，即每秒闪光10次，当物体运动时，利用频闪灯照相，照相机可以拍摄出该物体每隔相等时间所到的位置，通过这个方法拍摄的照片称为频闪照片。

例1为了测定某辆轿车在平直路上起动时的加速度（轿车起动时的运动可近似看做匀加速运动），某人拍摄了一张在同一底片上多次曝光的照片，如图所示。

如果拍摄时每隔2秒曝光一次，轿车车身总长为4.5m，那么这辆轿车的加速度为（）

A．1m/s2B．2m/s2C．3m/s2D．4m/s2

例

2用相同钢珠从斜面上的某点每隔0.1s放下一颗，在连续放下几颗后，对于在斜面上运动的小钢珠摄得如图所示的相片，现测得AB=15cm，BC=20cm，试求：

（1）钢珠运动的加速度；

（2）拍摄时B钢珠的速度；

（3）图中C与D两钢珠间的距离。