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1111.4 实验：用打点计时器测速度整体设计 物理是以实验为基础的自然科学，物理实验是学生获取知识，进行知识创新的重要手段，是培养学生的科学兴趣、科学态度和提高学生终身学习能力的重要途径.本课是高中第一节实验课，应向学生介绍实验室要求及安全注意事项.让学生认识实验在物理学中的地位和作用，掌握物理实验的一些基本技能，会使用基本的实验仪器，能独立完成物理实验.本教学设计重在让学生体验物理实验的过程，培养他们正确的科学态度和科学精神，感受实验的乐趣.将实验教学与其他教学内容紧密地结合在一起的教学形式是本教学设计的一个特点.实验课以学生活动为主、教师合理指导.本节课为后续实验探究小车速度随时间变化的规律作铺垫.本节课要求学生通过教科书和阅读“说明卡”观察仪器，掌握使用打点计时器在纸带上记录时间和位移的技能，并运用这一技能测定平均速度，画出v-t图象.了解图象研究物理问题的方法.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.教学难点 处理纸带的方法，用描点法画图象的能力.时间安排 2课时三维目标 知识与技能 1.了解电磁打点计时器和电火花计时器的构造、差异及功能. 2.能够阅读产品说明书，掌握打点计时器的使用方法. 3.初步学会从纸带上获取时间和位移等实验数据信息进行处理，测定物体的运动速度. 4.学会建立物体运动的vt图象. 过程与方法 1.通过实验探究过程，了解物理学的研究方法，培养学生信息收集和处理能力，分析、解决问题能力和交流、合作能力. 2.初步了解用图象描述和研究物理过程的方法，体会数学在物理知识中的应用. 情感态度与价值观 1.在实验活动中，培养学生严谨的科学态度和实事求是的科学精神. 2.在探讨问题的过程中，鼓励学生主动与他人合作，交流思想，感受团队精神，体验探索的乐趣.课前准备 电磁打点计时器、电火花计时器、纸带（每小组两条）、透明塑料刻度尺（长度在30 cm以上）、学生电源（使用4 V6 V交流电压挡）、导线若干、自制课件.教学过程导入新课 活动导入 1.同桌之间，一位同学手拿一支彩色画笔，另一位同学牵动一条宽约1 cm的长纸带，使纸带在笔下沿着直线缓慢向前移动.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. 问题导入 古时候由于生产力不发达,计时的方法是滴水法和日影法等原始的方法.随着科学技术的发展，今天的计时方法既有钟表一般的计时器，还有精度极高的光电计时器.在实验中我们还用到打点计时器.当打点计时器外接交流电源的频率为50 Hz时，打出的纸带上相邻两点间的时间间隔为多少？而美国、加拿大及日本的西部地区常用的交流电频率是60 Hz，若接在打点计时器上，打出的纸带上相邻两点间的时间间隔又为多少？推进新课 测定物体的速度并不是一件容易的事情，特别是当物体的运动速度在不断变化时，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. 教师引导：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. 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.（如图1-4-1）图1-4-1 提出要求：课件展示电磁打点计时器的大幅实物照片，方便教师的讲解和学生的讨论交流. 请同学们观察一下，阅读其使用说明书，说说它的工作原理. 归纳总结：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4 V6 V.当电源的频率是50 Hz时，它每隔0.02 s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面不断变化，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. 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？ 学生通过阅读学习电磁打点计时器的工作原理，能够总结归纳： 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50 Hz的交流电，打点的时间间隔为0.02 s.这个值正好是电源频率的倒数.课堂训练 电磁打点计时器的打点周期取决于（ ） A.交流电压的高低 B.交流电的频率C.永久磁铁的磁性强弱 D.振针与复写纸间的距离解析：电磁打点计时器的打点周期，即振针击打复写纸和纸带的周期，从它利用电磁感应打点的原理可知，振针是由振片带动振动的，而振片上下振动的周期就是线圈中磁场变化的周期，与所用交流电源的电流方向变化周期相对应.也就是交流电的周期，等于交流电的频率的倒数，即若使用电源的频率为50 Hz，则交流电的周期为1/50 s=0.02 s.我国使用的交流电的频倒数，即若使用电源的频率为50 Hz，则交流电的周期为频率统一为50 Hz. 答案：B 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，明确电火花计时器的结构、各部分的名称、工作原理及使用方法.如图1-4-2.图1-4-2 课件展示：课件投影电火花计时器的实物照片，让学生对照实验桌上的实物说出各部分的名称. 师生归纳总结：使用时电源插头直接插在交流220 V插座内，将裁成圆片（直径约38 mm）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 mm700 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. 学习了两种打点计时器，应留给学生充足的时间对它们进行比较，思考并交流讨论得出结论，体验打点计时器的用途，感受实验的乐趣. 交流与讨论 从原理上考虑，电火花计时器与电磁打点计时器相比，哪个更好些，误差可能会更小？ 学生猜想：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. 教师总结：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 s，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 A）. 三、练习使用打点计时器 教师指导学生自主阅读教材中的实验步骤提示.学习打点计时器的使用方法，对学生讲清注意事项及安全问题. 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？ 根据学生的实际操作，让学生体会操作过程的乐趣.指导学生解决实验过程中遇到的问题. 交流与实践 1.电磁打点计时器中怎样安放复写纸和纸带的位置？ 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. 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？ 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. 补充1.可能是复写纸该换新的了. 补充2.可能是振动片的振幅太小，可调整振动片的位置. 补充3.可能是振针的位置太高，调整振针的位置，直到打出点为止. 补充4.所选的电压在4 V和6 V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. 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？ 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. 课件展示：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. 教师设疑：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？ 学生答疑：共（n-1）个. 课件展示：展示某同学打出的一条点迹清晰的纸带，并提出问题：怎样根据纸带上的点迹计算纸带的平均速度？ 学习归纳总结：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 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 解答：（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 通过以上知识的学习，尤其是通过纸带的数据处理，我们可以求解纸带上某段时间的平均速度.但是，如何来求解某点的瞬时速度呢？ 提出要求：设计实验测量手拉纸带在几个时刻的瞬时速度. 1.引导学生进行实验原理的探究：能否测算出物体在相邻几段相等时间内的平均速度？学习思考并回答：可以利用打点计时器，从纸带上先求出位移和时间，再根据速度公式v=，算出每段平均速度. 2.引导学生进行实验方法的探究 提问：瞬时速度如何测量呢？ 学生思考并交流讨论得出在极短时间内，平均速度可近似代替某点的瞬时速度.训练学生利用物理概念和规律解决实际问题的能力.估计学生会不知如何入手，教师可根据实际情况加以提示引导. 3.引导学生列出所需器材，设计实验步骤. 学生根据实验需要，列出实验器材，设计实验步骤，并互相交流讨论. 4.要求学生根据实验目的，自行设计实验方案，进行实验，并根据所得数据画出物体的v-t图象，对数据分析后得出相关结论.各实验小组充分交流讨论，初步制定出实验方案，设计好表格.指导学生理顺实验思路，培养他们交流、合作的能力. 在实验方案和表格的设计上，可能个别小组会出现一些困难，鼓励他们多进行交流讨论. 五、用图象表示速度 图象是研究物理问题中经常使用的一种数据处理方式，图象法处理数据直观、方便，图象法在生活中也有广泛的应用，例如气温的变化、股票的跌涨、学习成绩的浮动等等都可以用图象简便地表示出来.图象是表示变化规律的好方法.我们也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？ 指导学生自主阅读课文并思考. 学生通过自主学习归纳出用图象法表示物体运动的速度的方法： 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. 作图训练：要求学生用打点计时器测得数据填写的表格作出图象速度时间图象.手拉纸带的数据距离d/m时间t/s速度v/(ms-1)0.029 00.100.290.038 30.200.380.044 90.300.450.045 90.400.460.045 90.500.460.056 00.600.560.057 80.700.580.056 20.800.560.057 80.900.580.057 41.000.570.058 81.100.59 学生具体操作，纵坐标表示速度、横坐标表示时间，建立平面直角坐标系.教师指导学生画v-t图象时，横轴、纵轴单位长度的确定要根据实验数据的最大值、最小值合理选取，使描绘的v-t图象能充满坐标平面的大部分空间. 学生具体描点. 教师引导学生虽然可以根据所描的点的走向大致看出纸带速度的变化规律，但为了更加清晰地反映规律，可把这些点用折线连起来. 学生在老师的提示和帮助下连线. 教师引导：速度的变化应该是比较平滑的，所以，如果是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. 教师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.如图1-4-4. 手拉纸带的速度时间图象（示例）图1-4-4 点评：通过指导学生亲手作出vt图象可以使学生充分体会图象法处理数据的直观性、方便性.要求学生根据作出的图象描述手拉纸带的速度变化情况.物理图象是一种特殊、形象的语言和工具，是研究物理问题的重要手段，在本环节让学生切实感受这一点.课堂训练 在学校举行的秋季运动会上，某同学获得了高一级100 m赛跑的第一名，他的成绩是12.01 s.按照你的估计画出他在比赛过程中的v-t图象.（思考提示：这位同学赛跑时的速度从始至终都是不变的吗？如果有变化，你估计是怎样的变化？把这种变化用图线表示出来时，要考虑哪些描述运动的物理量？） 解答：100 m赛跑时该同学的速度不是从始至终不变的.起跑时从静止开始加速，速度迅速增大，然后以大致相等的速度完成后段路程. 该运动员的v-t图象如图1-4-5.图1-4-5 图线要求具有的特征： 1.速度图线必须从零开始. 2.能反映开始的加速段和后来的匀速段，图线前段较陡，后段较平. 3.图线至少有12 s，面积约为100 m，可通过数格的方法进行，大于半格的算一个，小于半格的不算.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.布置作业 1.教材第24页“问题与练习”第2、3题. 2.利用第4题提供的方法，与同桌合作，自制模拟打点计时器.板书设计4 实验：用打点计时器测速度 一、电磁打点计时器 1.原理 2.构造 3.使用注意事项 二、电火花计时器 1.原理 2.构造 3.使用注意事项 三、练习使用打点计时器 四、用打点计时器测量瞬时速度 五、用图象表示速度活动与探究 课题：利用位移传感器测物体间的距离与速度. 内容：如图1-4-6所示是运动传感器的原理图，这个系统由A、B两个小盒组成的，A盒装有红外线发射器和超声波发射器，B盒装有红外线接收器和超声波接收器，A盒被固定在运动的小车上.测量时A向B同时发射一个红外线脉冲和一个超声波脉冲，B盒接收到红外线脉冲时开始计时，接收到超声波脉冲时停止计时.若两者的时间差为t1,空气中的声速为v0.图1-4-6 问题：（1）A与B之间的距离为多少？（红外线的传播时间不计） （2）经过短暂的t后，进行第二次测量，此时的时间差为t2,A与B之间的距离又为多少？ （3）运动物体的速度是多少？ 参考解析：（1）A与B之间的距离为：x1=v0t1. （2）经过短暂的t后，进行第二次测量，此时的时间差为t2,A与B之间的距离为x2=v0t2. （3）运动物体的速度是:v=v0.习题详解 1.解答：电磁打点计时器引起的误差较大.因为电磁打点计时器打点瞬时要阻碍纸带的运动. 2.解答：（1）纸带左端与重物相连.（2）A点和右方邻近一点的距离x=7.010-3 m,时间t=0.02 s，t很小，可以认为A点速度v=0.35 m/s. 3.解答：(1)甲物体有一定的初速度，乙物体初速度为0. （2）甲物体速度大小不变，乙物体先匀加速、匀速，最后匀减速运动. （3）甲、乙物体运动方向都不改变. 4.解答：纸带速度越大，相邻两点的距离也越大.纸带速度与相邻两点时间无关.设计点评 本教学设计明确了本节课程的主题，围绕教材中提出的几个问题，逐一在学生中展示讨论，在充分交流的基础上，激发学生探究问题的兴趣，让学生带着问题进行学习并自己总结归纳仪器的构造、原理等.在实验中自主了解打点计时器的计时原理、纸带如何记录运动信息，为后面进一步探究物体的运动打下基础.在实验过程中，注意培养学生实验能力和动手操作能力，培养学生用多种手段处理问题的能力，积极体现了新课程“教师为主导，学生为主体”的理念.尤其对速度时间图象的教学，采用了根据测量数据学生实际亲手绘制并总结方法的形式，让学生切实感受了过程的重要性，感受了图象处理数据的方便性、直观性.111
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