爱华网1.4实验用打点计时器测速度
一、教材分析
物理学是一门以实验为基础的自然科学.本节课为实验课，目的是让学生自主探究学习打点计时器的使用方法，测定物体牵引纸带的速度，并尝试用图象的方法来表示速度随时间变化的关系.根据瞬时速度是在无限短时间内的平均速度的思想方法，让学生用求平均速度的方法，粗略表示物体运动的瞬时速度.教材这样处理更进一步加深了上节课对平均速度和瞬时速度概念的理解.当然这种用平均速度代替瞬时速度的方法，在匀变速直线运动中有它的准确性，这要在下一章中学习，在此可不必要向学生介绍这种结论性的知识，以免冲淡学习重点，加重学生负担.本节课旨在让学生学到科学实验中探究的方法，而不是注重探究的结果多么完美，所以千万不能让学生养成不尊重实验事实、拼凑实验结果的习惯.要让学生在亲身体验描点法作图象的思想方法，向学生讲清图象的横、纵坐标，描点法，图象的物理意义.要充分发挥学生的主观能动性，让学生积极参与.教师要补充一些更为典型的、学生非常熟悉的、不一定是物理方面的图象，要突出图象的直观性，使学生对图象的作用有更多、更深入的了解，为本节建立物理图象来分析、寻找物体运动的规律打下基础.
二、教学目标
知识与技能
1.了解打点计时器的计时原理，理解纸带中包含的物体运动的信息（时间、位移）.
2.会安装并使用打点计时器，理解根据纸带测量速度的原理并测量瞬时速度.
3.明确速度—时间图象的物理意义，描点法画图象的方法，并画出该实验中的速度—时间图象，能从图象中获取有用的信息.
过程与方法
1.通过学生自己看打点计时器的说明书，培养学生独立学习的能力.
2.通过实验得出物体的运动信息，用数学方法表述出来.培养学生获取信息、处理信息的能力，体会处理问题的方法，领悟如何间接测一些不能直接测量的物理量的方法.
3.通过画速度—时间图象培养学生用图象法处理数据的能力，体验数学工具在物理发展中的作用.
4.体验实验中理性思维的重要，既要动手，更要动脑.
5.经历科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用科学探究的方法研究物体运动.
情感态度与价值观
1.感受打点计时器的巧妙设计思路，体会物理原理在解决实际问题中的指导作用，增强将物理知识应用于生活实际的意识.
2.经历实验过程，体验科学实验过程的艰辛与喜悦，并乐于探索自然界的奥妙.
3.体验用图象的方法描述物理现象的乐趣.培养学生用数学方法处理物理问题的意识.培养学生敢于创新和实事求是的科学态度和科学精神.
4.培养学生合作与交流的精神，有将自己的见解与他人交流的愿望，养成在合作中既坚持原则又尊重他人的习惯.
三、教学重点
1.学会使用打点计时器.
2.能根据纸带计算物体运动的瞬时速度.
3.会用描点法描绘物体的速度—时间图象，并从中获取物理信息.
四、教学难点
处理纸带的方法，用描点法画图象的能力.
五、教学过程
［新课导入］
测定物体的速度并不是一件很容易的事情，特别是当物体的运动速度在不停变化时，测定某时刻的速度更是比较困难的，如上下飞舞的蝴蝶，要确定它某一时刻的速度是很困难的.我们现在只研究直线运动的速度的测量问题.
当物体沿直线运动时，其位移在不断变化，要研究物体的运动，我们首先要准确记录物体运动的信息.直接测量物体运动的速度在技术上是比较复杂的，我们在测量时可以尝试通过测量物体运动的时间和位移，再经过计算或作图来判断物体的运动情况.在实验中，我们可以使用秒表和尺子，直接测量物体运动的时间和位移，但当物体运动速度太快时，采用这种方法的测量误差较大.打点计时器就是一种记录物体运动位移和时间信息的仪器，我们可以通过测量位移和时间来计算物体运动的速度以及速度的变化快慢.
【课堂活动】
作为同桌的两位同学合作，简易模拟打点计时器.
1.同桌两位同学之间，一位同学手拿一枝彩色画笔，另一位同学牵动一条宽约1cm的长纸带，使纸带在你的笔下沿着直线缓慢向前移动.你按照一定的时间间隔点击纸带（比如每秒1次，或每秒2次），比比看，看谁牵动纸带的速度变化最小.想一想，相邻两点的距离跟牵动纸带的速度有什么关系?牵动纸带的快慢不均匀，对相邻两点所表示的时间有没有影响?
2.两位同学竞走比赛，为了比较他们的运动情况，现在让每位同学都提着底部穿孔、漏沙比较均匀的两个沙袋一起竞走，然后通过他们的漏沙情况来判断他们的匀速运动情况和加速情况.
以上两个探究活动目的是让学生体验打点计时器通过打点达到计时目的的原理.
学生做完后讨论.
生：相邻两点间的距离随着牵动纸带的速度的增大而加大.纸带运动的快慢不均匀，点子的间隔也不均匀，但对相邻两点间的时间间隔没有影响.
生：参加竞走的两人若运动快慢比较稳定，则漏沙比较均匀，若加速运动，会发现快的时候漏沙少，慢的时候漏沙多.
［新课教学］
师：在以上的活动中，同学们认识到了打点和漏沙可以体现物体运动的快慢.今天我们就来学习用打点计时器测定物体运动速度的方法，并用图象把这些速度形象地表示出来.
一、电磁打点计时器
教师布置学生对照仪器看说明书，引导学生注意其重点：观察打点计时器并阅读其使用说明书，明确电磁打点计时器的结构、各部分的名称、工作原理及使用方法.
电磁打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器，如图1－4－1所示.工作电压为4V～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0.02 s.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.
图1－4－1 电磁打点计时器
【交流与讨论】
电磁打点计时器使用低压交流电源工作，大家想一想能不能使用直流电源，为什么？
生：工作原理中是靠电流方向的改 变来改变磁铁的磁场方向，从而促使振动片上下振动，并且振动片的振动周期与电源的电流变化周期一致.若使用50Hz的交流电，打点的时间间隔为0.02s.这个值正好是电源频率的倒数.
二、电火花计时器
教师布置学生对照仪器看说明书，引导学生注意其重点：观察打点计时器并阅读说明书，明确两种打点计时器的结构、各部分的名称、工作原理及使用方法.
电火花计时器电火花计时器的外形如图1－4－2所示，它可以代替电磁打点计时器使用，也可以与简易电火花描迹仪配套使用.
图1－4－2
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（20 mm×700 mm）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.
【交流与讨论】
从原理上考虑，电火花计时器跟电磁打点计时器相比，哪个更好些，误差可能会更小？
生：电火花计时器可能会更好些，因为电磁打点计时器中振针和纸带间的摩擦会更大些.
教师评论并系统总结.
师：电火花计时器使用中运动阻力极小，这种极小阻力来自于纸带运动的本身，而不是打点产生的，因而系统误差小，计时精度与交流电源频率的稳定程度一致（脉冲周期不大于50 μs，这一方面也远优于电磁打点计时器），同时它的操作简易，使用安全可靠（脉冲放电电流平均值不大于5 μA）.
师：打点计时器能记录哪些信息？
生：时间和位移.
下面的时间交给学生自主探究.
三、练习使用打点计时器
学生自主阅读教材中的实验步骤提示.
指导学生动手练习使用打点计时器，并引导学生思考：纸带上的点与小车的位移和时间是如何对应的，怎样将纸带上的点变成相关的数据？
【交流与讨论】
针对问题，学生讨论实践后回答.
问题1.电磁打点计时器中怎样安放复写纸和纸带的位置？
生：将复写纸套在复写纸定位销上，推动调节片，可调节复写纸位置.将纸带从复写纸圆片下穿过.
问题2.振针打的点不清晰或打不出点可能是哪些原因?怎样调整？
生1：可检查压纸框的位置是否升高，而阻碍了振动片，振针打不到纸带上，可将压纸框向下压恢复其原来位置.
生2：可能是复写纸该换新的了.
生3：可能是振动片的振幅太小，可调整振动片的位置.
生4：可能是振针的位置太高，调整振针的位置，直到打出点为止.
生5：我选的电压在4 V和6V的情况下，打点的清晰度有点差别，电压高的时候稍清晰，所以可调高一点电压.
问题3.开启电源打点完毕后要及时关闭电源，这样做有什么好处？
生：因打点计时器是按间歇工作设计的，故长期工作可能会因线圈发热而损坏.
投影展示：电火花计时器的纸带安装方法（让学生阅读）：
使用电火花计时器在纸带上打点，安装纸带的方法有两种：一种是用一条纸带从墨粉盘下穿过，打点时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，打出的点迹颜色较淡，打过一条纸带后要将墨粉盘转一角度再打另一条纸带.学生实验时可采用这一方法.另一种是用两条纸带，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重.墨粉盘上面的一条纸带没有点迹，可重复使用.用一条纸带打点时，纸带与打点计时器之间的摩擦阻力较小，用两条纸带打点时摩擦阻力较大.不管用哪种方法，打完纸带后应立即切断电源.
师：处理纸带时，从能够看清的某个点开始，往后数出若干个点.如果数出n个点，这些点划分出来的时间间隔数是多少？
生：共（n－1）个.
学生亲自手拉纸带练习使用打点计时器，自己设计表格，记录测量数据.
【思考与讨论】
师：怎样根据纸带上的点迹计算纸带的平均速度？
生：测出两个点间的距离，数一下这两个点间共有多少个时间间隔，即有多少个0.02 s，用这个总距离去除以所需用的时间.
【课堂训练】
出示题目：
打在纸带上的点，记录了纸带的运动时间.如果把纸带和运动的物体连接在一起，纸带上的点就相应地表示出运动物体在不同时刻的位置.研究纸带上的点子之间的间隔，就可以了解运动物体在不同时间内发生的位移，从而了解物体的运动情况.请你用简短的语言描述图1－4－3所示每条纸带记录的物体的运动情况.
图1－4－3
参考答案：（a）、（b）的各点分布较为均匀，是匀速运动，但从点子的疏密程度来看，（b）上的点子较稀疏，所反映的物体运动较快，速度较大.（c）表示物体运动得越来越快，速度在增大；（d）表示物体运动得越来越慢，速度在减小.
四、用打点计时器测量瞬时速度
思想方法：用某段时间内的平均速度粗略代表这段时间内的某点的瞬时速度.所取的时间间隔越接近该点，这种描述方法越准确.
示例：如图1－4－4，测量出包括E点在内的D、F两点间的位移Δx和时间Δt，算出纸带在这两点间的平均速度=，用这个平均速度代表纸带经过E点时的瞬时速度.
图1－4－4
可以大致表示E点的瞬时速度，D、F两点离E点越近，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.
学生根据粗略表示某点瞬时速度的方法，选择合适的计数点，测量包含这个点的一段时间内的位移Δx，同时记录对应的时间Δt，填入教材第23页中设计好的表1中.
根据=算出刚填完的表1中各点附近的平均速度，把它当作计时器打下这些点时的瞬时速度，抄入教材第24页表2中.从该表中能粗略看出手拉纸带运动的速度变化情况.
【课堂训练】
出示题目：
如图1－4－5所示，打点计时器所用电源的频率为50 Hz，某次实验中得到一条纸带，用毫米刻度尺测出各点间的距离为：AC=14.0 mm，AD=25.0mm.那么由此可以算出纸带在AC间的平均速度为__________m/s，纸带在AD间的平均速度为_____________m/s；B点的瞬时速度更接近于____________m/s.
图1－4－5
参考答案：0.350.42 0.35
解析：AC间的平均速度为=m/s=0.35m/s，AD间的平均速度为=m/s=0.42m/s.对描述B点的瞬时速度来说，AC段所取的位移间隔更小，更能接近B点的真实速度，即B点速度更接近于0.35m/s.
五、用图象表示速度
师：刚才我们从表2中的数据可以粗略看出我们自己手拉纸带运动的速度变化情况，图象是表示变化规律的好方法，我们可以用图象来描述物体的速度变化情况，那么怎样用图象来表示物体运动的速度呢？请同学们先看课文并回答.
生：在方格纸上建立直角坐标系，用纵坐标表示物体运动的速度，用横坐标表示时间，根据表中各时刻的速度，将（v，t）作为一组坐标在图象中描点，将点连线后得出的图象称为速度—时间图象（v-t图象），简称速度图象.
学生具体操作描点.
师：我们从根据实测数据所描的点，可以从这些点的走向大致看出纸带速度的变化规律.
师：为了更清晰，你可以把这些点用折线连起来.
在老师的提示和帮助下连线.
师：速度的实际变化应该是比较平滑的，所以，如果用一条平滑的曲线来“拟合”这些点，曲线反映的规律应该与实际情况更接近.
指导学生换用红色笔用平滑的线将刚才描过的点再重新描画一遍.
师：我们现在来观察图象，可以更形象直观地显示自己手拉纸带的运动情况.
【
六、课堂小结
电磁打点计时器和电火花计时器都是记录运动物体在一定时间间隔内位移的仪器.v－t图象：表示做直线运动物体的速度随时间变化的规律.某段时间图线与时间轴围成的面积值表示该段时间内物体通过的位移大小.形状一样的图线，在不同图象中所表示的物理规律不同.
