细品教材
如图是一幅表现运动员“挥击网球”的照片,在这里,连续的运动被分离成了离散的“景”,瞬间的精彩被定格成了永恒.
那么,在实验室我们如何记录瞬间的时间和运动呢?本节中我们将仿照这种方法,利用打点计时器测量做直线运动的物体的速度.

一､电磁打点计时器
1.电磁打点计时器是一种记录运动物体在一定时间间隔内位移的仪器.它使用交流电源,工作电压在10 V以下.当电源的频率为50 Hz时,它每隔0.02 s打一个点.
2.电磁打点计时器的构造如图所示.

状元笔记
打点计时器的线圈在长时间通电时会很容易发热而烧毁,所以打点后要及时关闭电源;因打点计时器是金属片被通有交流的线圈反复磁化,受到永久磁铁的磁力打点的,所以不能用直流电源.
拓展延伸  打点计时器的工作原理:接通交流电源后,线圈中产生周期性变化的磁场,振片被磁化,其极性随线圈中磁场的变化而变化,于是振片和永久磁铁之间就产生周期性的引力和斥力,振片上下振动,带动振针上下振动.这时,如果纸带运动,振针就通过复写纸在纸带上打下一系列的点.
二､电火花计时器
1.电火花计时器使用交流电源,工作电压是220 V.
2.电火花计时器的构造如图所示.主要由脉冲输出开关､正负脉冲输出插座､墨粉纸盘､纸盘轴等构成.

3.计时原理
电火花计时装置中有一将正弦式交变电流转化为脉冲式交变电流的装置.当计时器接通220 V交流电源时,按下脉冲输出开关,计时器发出的脉冲电流经接正极的放电针和接负极的墨粉纸盘轴产生火花放电,利用火花放电在纸带上打出点迹.当电源的频率为50 Hz时,它每隔0.02 s打一个点.
拓展延伸  两种计时器的比较:

示例:对电火花计时器和电磁打点计时器的有关说法中,正确的是(  )
①电磁打点计时器和电火花计时器都是使用交流电源②两种打点计时器的打点频率与交流电源的频率一样 ③电火花打点计时器在纸带上打点也是靠振针和复写纸 ④电磁打点计时器打点的是电火花和墨粉
A.①②
B.③④
C.①③
D.②④
解析:电磁打点计时器在纸带上打点是靠振针和复写纸,而电火花打点计时器是靠电火花和墨粉打点,所以③④均错误.
答案:A
三､练习使用打点计时器
1.把电火花计时器固定在桌子上,检查墨粉纸盘是否已经正确地套在纸盘轴上,检查纸带是否已经正确地穿好限位孔,将墨粉纸盘压在纸带之上.
2.把计时器上的电源插头插在220 V的交流电源上.
3.按下脉冲输出开关,用手水平地拉动纸带,纸带上就打上一列小点.
4.取下纸带,从能看得清的某个点开始,数一数纸带上共有多少个点.如果共有n个点,点子的间隔数则为(n-1)个,用t=0.02s×(n-1)就可计算出纸带的运动?时间.?
开头的点迹很密集,这是由于先接通电源后拉动纸带和开始时的速度比较慢而造成的,数点时不能从开始处数,而要从能够看清的某个点开始.
5.用刻度尺测量一下打下这些点时,纸带通过的距离s有多长.
6.利用公式计算出纸带在这段时间内的平均速度,把测量和计算的结果填入下表中.

计算纸带的平均速度:测出纸带上两点A､B间的距离,数出A､B间的点子数为n个,则Δt=0.02(n-1)s,于是纸带在打出A､B点之间的平均速度.
注意事项
(1)打点计时器在纸带上应打出轻重合适的小圆点,如遇到打出的是短横线,应调整一下振针距复写纸片的高度,使之增大一点.
(2)使用计时器打点时,应先接通电源,待打点计时器稳定后,再释放纸带.
(3)释放物体前,应使物体停在靠近打点计时器的位置.
(4)使用电火花计时器时,应注意把两条白纸带正确穿好,墨粉纸盘夹在两纸带之间;使用电磁打点计时器时,应让纸带通过限位孔,压在复写纸下面.
状元笔记
如果纸带上的点迹间隔不均匀,则说明物体的速度发生变化.点迹密集的地方表示物体运动速度较小,稀疏的地方表示物体的运动速度较大.
示例:本实验中,记录了如图所示的一段纸带,并用图示刻度尺进行了测量,则每相邻两计数点间的平均速度:;;;.

解析:相邻计数点之间的距离Δs可以测量出来,而时间间隔Δt为一个打点周期,即0.02 s,所以平均速度.
答案:0.5 m/s　 1.5 m/s　 0.75 m/s　 2 m/s
四､用打点计时器测量瞬时速度
处理这类问题可采用两种方法,一是与某点相邻的点间距离所对应的时间很短,只有0.02 s,故只要测出某点与其相邻点间的距离x,再利用求出平均速度,就可用这个平均速度来代表某点的瞬时速度.二是利用某点左侧的位移与时间 (0.02 s)的比值求出速度v₁,再利用某点右侧的一段位移与时间(0.02 s)的比值求出速度v₂,利用就可得出A点更准确的瞬时速度.
状元笔记
在v-t图象中,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.
五､用图象表示速度
1.以速度v为纵轴,时间t为横轴建立直角坐标系,用描点法在坐标系中描出物体在各个时刻的速度,再用平滑的曲线将各点连接起来,就得到一条能反映速度随时间变化关系的图线,叫速度—时间图象.
2.速度—时间图象反映了物体的速度随时间变化的规律.根据速度—时间图象可以作出哪些判断或得出哪些结论?

(1)读出物体在某时刻的速度或物体的某一速度所对应的时刻.在右图中,0时刻的速度为v₀,t时刻的速度为v_t.
(2)求出物体在某段时间内速度的变化量或物体发生某一速度变化所经历的时间.在右图中,0～t时间内速度的变化量为.
(3)判断运动方向.根据速度的正､负判断运动方向,速度为正,表示物体沿正方向运动;速度为负,表示物体沿负方向运动,在下图中,0～t₃时间内物体沿正方向运动,t₄～t₆时间内,物体沿负方向运动.

(4)比较物体速度变化的快慢.在vt图象中,直线的倾斜程度(斜率)反映了物体速度改变的快慢,倾斜程度越大,表示速度改变得越快;倾斜程度越小,表示物体的速度改变得越慢;直线不倾斜(平行于时间轴),表示物体的速度不变.在上图中,不难看出,物体在0～t₁时间内比在t₂～t₃时间内速度变化得慢,在t₄～t₅时间内比在t₅～t₆时间内速度变化得慢.
拓展延伸:在应用v-t图象时,要注意避免下列几种常见的错误:
①把v-t图象和x-t图象混淆不清.例如:把v-t图象中两条直线的交点误认为相遇,在v-t图象中根据直线向上倾斜､向下倾斜判断运动方向等等.
②把v-t图象误认为是质点的运动轨迹.

归纳整理
本节讲述了利用打点计时器来研究物体的运动,介绍了打点计时器的构造､工作原理和使用方法,并利用纸带上打出的点来研究物体的运动情况,计算物体在某时刻或某位置时的速度.


思考发现
1.用实验的方法求出速度,从而确定速度随时间的变化关系,符合人们的认知规律,这种研究方法是物理学中常用的方法.
2.注意理解一些名词､概念.如计时点､计数点,两个计数点之间的位移､平均速度､某时刻的瞬时速度是怎样求的.画v-t图象时,横轴､纵轴单位长度的确定要根据实验的最大值､最小值合理选取.
3.在纸带上选取计数点,测量计数点之间长度时要用量程在30 cm以上透明塑料尺一次测量多组计数点间数值,不要用刻度尺一段一段地测量计数点间距离,以减少偶然误差.
4.可以大致表示某包含点的瞬时速度,两边点离得越近算出的平均速度越接近这点的瞬时速度,但过小的间距也会增大测量的误差,应根据具体情况慎重选取.

经典例题
基础知识题型
一､对打点计时器的认识
例1:电磁打点计时器是一种使用________电源的计时仪器,它的工作电压是________ V,当电源频率是50 Hz时,它每隔________ s打一次点.使用打点计时器时,纸带应穿过________,复写纸应套在________上,并要放在纸带的________面;应把________电源用导线接在________上;打点时应先________,再让纸带运动.




例2:在使用电磁打点计时器时,若纸带上出现了下列情况,是什么原因,应如何调节?
(1)打点不清晰,不打点.
(2)打出的是短线,而不是点.
(3)打双点.



综合拓展题型
二､利用纸带分析物体的运动
例3:如图所示的纸带是某同学练习使用打点计时器得到的,纸带右端后面通过打点计时器,从点迹的分布情况可以断定纸带的速度变化情况是________,若所用电源频率为50 Hz,从打下A点到打下B点共13个点迹,历时_______s,位移为_______m,这段时间内纸带运动的平均速度是_______m/s.(位移用刻度尺测量)





例4:如图所示,是一条利用打点计时器打出的纸带,0､1､2､3､4､5､6是七个计数点,每相邻两个计数点之间还有四个点未画出,各计数点到0的距离如图所示.求出1､2､3､4､5等计数点的瞬时速度并画出速度—时间图线.





探究创新题型
例5:百米赛跑时运动员的速度从始至终不变吗?如果有变化,你估计是怎样变化的?某位运动员百米赛跑的成绩是10.57 s,按照你的估计画出他在这段时间内的v-t图象的草图.如果是没有受过训练的同学跑百米,他的v-t图象的形状可能有什么不同?




综合探究
一､诊断电磁打点计时器出现下列故障的原因
在使用打点计时器时,纸带上的点可能不清晰或不打点,出现这种情况的原因比较多.如振针过高;电压太低,振幅小;复写纸用得太久.可采取的相应调节办法是:把振针适当调低;调高电压;换新的复写纸.若打出的是短线,说明振针在复写纸上停留的时间过长.可能原因为振针过低;所加电压太高,使振幅过大.相应的措施为把振针调高一些;适当调低电压.打双点的原因有可能是振针松动,只要把振针固定好就行了.
二､测量微小时间的两种方法
生活中测时间的仪器是各种钟表,大多数钟表的最小计时单位是秒,无法测出更小的时间间隔,实验室或运动场上运用的秒表可测比1秒更短的时间,但还要考虑人的反应时间带来的误差.
物理实验中常用打点计时器和频闪照相的方式来记录微小时间.频闪照相是相机每隔一定的时间(如)曝光一次得到的照片,时间间隔和位移､速度的求法与打点计时器打出的纸带的处理方法相同.