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3.1 打点计时器实验

匀变速直线运动的研究 · 高一
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 利用电磁或电火花打点计时器在纸带上记录物体运动位置与时间信息的实验方法。

从哪来 基于 1.1 质点的概念(将物体简化为点以记录轨迹)、4.1 定义(明确位移与时间的对应关系)以及 5.2 v-t图像(为后续通过纸带数据描绘速度变化趋势提供理论支撑)。

为什么 运动是连续且瞬时的,肉眼无法直接捕捉物体在极短时间内的位置变化。打点计时器利用交流电的周期性(频率恒定,如50Hz),将连续的时间轴离散化为等时间间隔的点。通过测量相邻点间的距离(位移)除以已知的时间间隔,即可将抽象的“运动过程”转化为可测量的“空间距离”,从而实现对速度和加速度的定量研究。

适合:形象思维强、喜欢动手操作的学生** **核心逻辑:频闪摄影的实体化** 1. **类比引入
展示手机慢动作视频或频闪照片,问学生“如何看清飞行的子弹?”引出“把时间切片”的概念。 2. 实物演示:展示打点计时器,强调它就是一个“自动拍照机”。每0.02秒(50Hz)拍一张照片,把照片印在纸带上。 3. 操作体验:让学生拉动纸带,观察点迹疏密。快拉点疏,慢拉点密。 4. 结论:点迹就是物体在不同时刻的位置坐标,相邻两点间的时间固定为0.02s。
适合:逻辑思维强、偏好数学推导的学生** **核心逻辑:离散化与极限思想的萌芽** 1. **数学建模
将运动视为函数 $x(t)$。打点计时器是对该函数进行离散采样,采样周期 $T=0.02s$。 2. 数据提取:第 $n$ 个点的位置 $x_n$ 对应时刻 $t_n = nT$。 3. 速度计算:瞬时速度 $v$ 难以直接测量,但平均速度 $\bar{v} = \frac{\Delta x}{\Delta t}$ 可测。当 $\Delta t$ 足够小(0.02s),平均速度近似等于瞬时速度。 4. 加速度推导:利用 $\Delta x = aT^2$(匀变速直线运动推论),通过测量连续相等时间内的位移差,反推加速度 $a$。
适合:注意力易分散、需要明确步骤指引的学生** **核心逻辑:标准化操作流程(SOP)** 1. **口诀记忆
“先接通,后释放;先断电,后取带”。 2. 步骤拆解: * Step 1:固定计时器,穿纸带。 * Step 2:接通电源,待打点稳定(声音均匀)。 * Step 3:释放小车/重物,让纸带运动。 * Step 4:立即断开电源。 * Step 5:取下纸带,标记起点。 3. 数据处理:选出清晰点,每5个点取一个计数点($T=0.1s$),用刻度尺测量间距,代入公式计算。
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练一道
基础题
某同学使用频率为50Hz的打点计时器做实验,得到一条纸带。已知相邻两个计数点间还有4个打印点未画出(即计数点时间间隔 $T=0.1s$)。测得计数点0-1间距 $x_1=2.00cm$,1-2间距 $x_2=2.40cm$,2-3间距 $x_3=2.80cm$。求: (1) 打点计时器的打点周期; (2) 计数点1处的瞬时速度 $v_1$; (3) 小车的加速度 $a$。
变式
在上述实验中,若电源频率实际为49Hz,但实验者仍按50Hz计算(即仍认为 $T=0.02s$)。 (1) 实际打点周期是多少? (2) 若测得某段位移为 $L$,计算出的速度 $v_{calc}$ 与真实速度 $v_{real}$ 相比,哪个偏大?
看解答过程
(1) 频率 $f=50Hz$,打点周期 $T_0 = \frac{1}{f} = 0.02s$。 (2) 计数点时间间隔 $T = 5 \times 0.02s = 0.1s$。 根据匀变速直线运动中,中间时刻的瞬时速度等于该段时间内的平均速度: $$v_1 = \frac{x_1 + x_2}{2T} = \frac{(2.00 + 2.40) \times 10^{-2}m}{2 \times 0.1s} = \frac{0.044m}{0.2s} = 0.22 m/s$$ (3) 根据逐差法或 $\Delta x = aT^2$: $$\Delta x = x_2 - x_1 = 2.40cm - 2.00cm = 0.40cm = 0.004m$$ $$a = \frac{\Delta x}{T^2} = \frac{0.004m}{(0.1s)^2} = 0.4 m/s^2$$ *(注:也可用 $x_3-x_1 = 2aT^2$ 验证,结果一致)
试试手自己判
检测题
某次实验中,打点计时器频率为50Hz。学生选取了相邻的四个点A、B、C、D,测得 $AB=1.00cm$,$BC=1.50cm$,$CD=2.00cm$。 问: 1. 相邻两点间的时间间隔是多少? 2. 物体在B点的瞬时速度是多少? 3. 物体的加速度是多少?
看答案和判分标准
答案:1. $0.02s$ 2. $0.125 m/s$ 3. $1.25 m/s^2$
判对标准:
- 第1问:必须回答 $0.02s$ 或 $1/50 s$。若回答 $0.1s$ 判错。
- 第2问:计算过程需体现 $v_B = \frac{AB+BC}{2T}$,数值正确且单位为 $m/s$。
- 第3问:计算过程需体现 $\Delta x = 0.50cm = 0.005m$,$a = \frac{\Delta x}{T^2}$,数值正确且单位为 $m/s^2$。
- 若单位使用 $cm/s^2$ 但数值正确,可酌情给分,但需指出标准单位制要求。
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