测量平均速度的原理和器材(用打点计时器测速度)

Posted 2023-05-31

篇首语：好汉做事干到底，好马登程跑到头。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了测量平均速度的原理和器材(用打点计时器测速度)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

测量平均速度的原理和器材(用打点计时器测速度)

打点计时器

原理介绍：

在中国古代有“结绳记事”的说法，而今天我们要做的实验则是“打点计时”。那么打点计时需要什么仪器呢？打点计时器。它的作用是：“将连续的运动分隔成离散的“景”，瞬间的精彩被定格成了永恒。”首先我们知道，打点计时器的大家庭有几位成员呢？两位。它们分别是白雪公主——电磁打点计时器和黑马王子——电火花打点计时器。他们都是王位继承人，但是治理国家的方式各有不同：一个温柔，一个暴烈。为什会有这样的差异呢？我们一起来走近科学。

先来看电磁打点计时器（电流的磁效应），看它的结构是怎样的？就像去北京逛长安街必不可少，电磁打点计时器也要看它的中轴线。我们看到上面有线圈，线圈中包裹的是永磁铁，大家在初中学过电流的磁效应吧？奥斯特发现：当给导线通电时，导线周围会激发磁场。故给计时器的导线通电后，导线被磁化与永磁铁相互作用：如果与永久磁铁是异名磁极则会将振片吸引；反之如果通过的电流反向，形成的磁极与永久磁铁相同，则会将振片排斥下来，从而带动其上下振动起来，起起伏伏，和人生一样。（联系《选修3-2“楞次定律”》）我们看到振片端点尖尖的，就是振针。当振片振动时，振针（物理伤害）会随着振片上下振动，当然振动频率是非常快的。振针下面呢，要放置圆形的复写纸以及纸带。问题来了——应该让复写纸在上呢？还是让纸带在上呢？我们想想：如果纸带在复写纸的上面，振针打到的是纸带，在纸带上留下的只是一行行的“小坑”，会有颜色吗？不会，因为沾有颜料的复写纸并没有和振针直接接触，颜色会被印在纸带的下方；因此在实际操作中，应把复写纸放在纸带上面，让纸带穿过限位孔（皮带扣）。当振针振动时，先接触到复写纸，然后复写纸的颜料就被打到了纸带上面，形成了一连串的点迹。所以这个“三明治”一定要夹对（夹纸带——“丢手绢”）。那么，怎么样给打点计时器供电呢？我们看到打点计时器上有两个接线柱，这两个接线柱之间的电压是6伏以下。可是大家知道民用电的电压是多少？220V！若直接使用便成了“打孔机”了，那怎么办呢？我们需要一个电压的“降压药”——变压器，课本上叫做“学生电源”。它的插销插到插座上，就是输入了220v的电压。我们看到它呢有一个旋钮，这个旋钮的作用就是选择我们想让电源输入给打点计时器的电压。电磁打点计时器的电压应该在多少伏以下呢？是6v以下。所以把旋钮就调到6v的位置。好，那么这个仪器输入的电压是220v，而输出的电压却是6v，所以我们给它起了个名字叫做“变压器”。电磁打点计时器只有和变压器组合才能使用，所以他是白雪公主的护花使者。大家回忆，自己的手机充电器是不是也有一个类似的“大块头”呢？

另外一种打点计时器，叫做电火花打点计时器（尖端放电）。我们看它，通体黝黑，短小精悍，是不是比电磁打点计时器要小很多呀？是的，电火花打点计时器是打点计时器家族中的“黑马王子”，为什么呢？不止是因为它黑啊！一方面它比较小，结构简单，给人以一种简约美；另一方面，它是一个单身贵族，并没有变压器作伴，也就是说，它的输入电压是220v，输出电压也是220v。同样是“治理国家”——进行打点，电火花计时器就非常暴躁了——电压是比较高的，同学们在使用的时候一定要注意安全，通电情况下不要拆开看或者调整墨粉纸。你不要邯郸学步，看到使用电磁计时器的同学拆开仪器外壳了，你也拆。殊不知人家是撸猫，而你是在撸“电老虎”！其实，电火花打点计时器的原理和打火机是相同的。我们知道打火机之所以可以打着火是靠两根导线之间产生火花放电点燃酒精蒸汽，电火花打点计时器也是一样，内部有一个放电针（法术伤害），可以尖端放电。同学们见过电火花没有？肯定见过，冬天脱毛衣的时候噼里啪啦的那个就是电火花。电火花计时器就是通过让油墨带电的方式在纸带上烙下一个印记。首先用电可以吸引轻小物体的性质把油墨吸引到纸带上，再利用火花的高温将其熨烫在其上，大家想想刚打印出的纸张是不是有点烫手呢？（打点洗剪吹一条龙）电火花：先吸引后熨烫：始于颜值，陷于才华，忠于人品。（联系《选修3-1 “起电方式、尖端放电”》）由于纸带是运动的，所以最后的结果就和电磁打点计时器一样留下了一行小点。但它不是通过指针撞击打的点。电磁的颜色是blue；而电火花的颜色是black。为什么会有这样的区别呢？有的同学说电火花打点计时器的电压高一些，是220v，所以发生了化学反应，颜色不同。其实不然，我们看电磁打点计时器用的是复写纸，它还有个外号叫做“印蓝纸”，所以打出的点自然是蓝色的。复写纸见过没有？我小的时候也犯错误，犯了错误老师就罚写字。和你们不一样，一个字写10遍，谁能写的了？10遍！我们那会儿是方格纸，哈哈。。有同感吗？我写字的时候，后面垫了一层，两层，三层，我使劲地用大力的时候，后面能印出来3个字，这就是复写纸；而电火花打点计时器用的染料是墨粉盒，所以是黑色的。

介绍完打点计时器家族的两个成员之后，我们来看一些关于它们的特征量。通过阅读课本知道：打点计时器的工作频率，或者叫“工频”是50Hz，那么什么是频率呢？我们知道男生的声音比较低沉，女生的声音比较高亢。而声音是由振动产生的，也就是说低沉的声音振动的频率比较低，反之亦然。哎，我们看到有一位同学瞌睡了，他每10秒打50个哈切，也就是说他打哈切的频率高不高呀？高！频率是5Hz，那他每打一个哈切所用的时间就是0.2s（磕头捣蒜，额头上涂点墨水，就是“人工带点计时器”。）之后我们会学到，赫兹是一位伟大物理学家的名字，我们用作频率的单位以纪念这位物理学家。那么我们给出这样一个关系式：f=1/T，工作频率是打点周期的倒数。F是frequency的首字母，代表频率；而T呢指的是完成一次重复性动作所需的最小时间。它们之间是倒数关系，同学们把f=50Hz代入关系式中，看是否能够得到周期T=0.02s.那为什么频率等于50Hz呢？这是由发电厂的发电机的运转频率决定的。（打点计时器1秒钟打50点与示波管1秒钟扫描50场类比，因为频率都是50Hz。）格力变频空调——一晚只需一度电。在日本以及西欧的一些国家，工频在60~70Hz不等，也就是说我们国家生产的电器到这些国家是不能使用的。生活中，工频对我们的影响也是非常的大。比方说苹果手机在美国本土卖因为没有关税比较便宜，所以一些人托美国的朋友买了一个苹果手机，但是带回国发现并不能充电，这是为什么呢？就是工频不同。所以一定要把这个搞清楚，否则心爱的手机就成了一次性的了。大家注意这两种打点计时器都是用的交流电，那直流电行吗？比方说，实验室停电了，有个同学特别爱做实验，说老师我去买节电池去，然后放到接线柱之间，行吗？用一个球星的名字来回答就是没戏(梅西)啊！因为这就成了订书机/龙头铡了——一锤子买卖，除非用极快的手速来回切换电池的正负极。但是手动挡肯定是比不过自动挡的，所以我们采用自动化控制：使用的是交流电。

实验操作

参考课件的内容 + 播放录像。（先开电源——打节奏了？）

误差分析

同为打点计时器，电火花就比电磁的要准确一些。为什么呢？因为我们观察电磁打点计时器在工作时，振针是不是要不断接触纸带呢？虽然接触的时间很短暂，但是只要触碰到纸带就会影响纸带的运动。就好像同学们跑步的时候，如果有个人总是在后面时不时地用绳子拽你一下，也会对你的跑步速度产生影响，所以我们也要考虑纸带的感受；而电火花几乎是没有质量的，纸带的运动可以纵享丝滑。

提醒大家两点：打点计时器在使用之前需要热热身，才能达到最佳状态，打出的点才会均匀稳定。就像开车前先要热热车，运动员在运动前也要热热身。反例：睡着了，突然问打点计时器有几种？我问你心肌梗塞有几种？；使用后呢，我们要及时地拔掉电源，因为大家看课本P.19下面小字部分的一段话：打点计时器不是能够连续工作的仪器，就像大家一样，工作一段时间需要休息休息。2012班一组同学曾经在实验室就与我出现过这样的对话：“老师，为什么我的打点计时器冒白烟了呢？”我：“连续打点多长时间了？”答：“从上课到现在一直打着呢”我：“晕！”总结起来就是打点计时器要“早开机早关机”。

最后还要注意，处理数据时要舍弃纸带开头较密的点，这些点就像是军训整队时的“小碎步”，不能反应队伍前进的规律；而后面打出的清晰的点就像前进的步伐，矫健而稳定，故采纳之。

偶然误差：用直尺分段测量位移——勿以恶小而为之，不要积累偶然误差，否则失之毫厘谬以千里。

系统误差：振针与纸带之间的摩擦使速度变慢。

四、数据处理

通过实验，我们得到了一条纸带：纸带上密密麻麻的有一些点（左密右疏，慢密快疏），我们通过纸带能够得到什么？阅读本节课的标题会发现：我们这节课是要用打点计时器来测速度。那么我们如何根据这个纸带得到物体的速度信息呢？很简单，我们先写出速度的公式：V=x/t,我们看到有3个点，老师看第2个点比较顺眼，所以就来测一下第2 个点的速度，而且是瞬时速度。中间点：首先我们把这三个最近邻（远亲不如近邻）的点勾画出来（就好像要测我们中间同学的速度首先需要找到他的两个同桌）。在3个点之间应该有2段时间间隔，我们知道每打一个点需要时间是0.02s，那么我们2段时间间隔所需的时间就是0.04s，好，就此我们得出了打3个点所需的时间间隔；那么3个点之间的距离呢，可以通过刻度尺的测量就得到，大概是5cm.所以，我们得出物体运动的速度V=x/t=1.25m/s.算到这里同学们就有疑问了：为什么我们计算的是1到3点的平均速度，最后却变成了瞬时速度呢？是这样的，同学们是否记得我们讲速度时，说到在什么条件下运动物体的平均速度就等于瞬时速度呢？有同学说在匀速直线运动中两者相等。好，那还有一个什么样的条件，如果满足这个条件的话，二者就近似相等。有同学说到，当△t→0，也就是时间间隔趋于0时，二者相等。我们看到由1点到3点，经历的时间间隔是不是0.04秒呢？这个0.04s其实就是一个非常接近于0的数，所以我们就把平均速度转化为了瞬时速度。那同学们说这个速度我们承认是平均速度了，那又为什么这个瞬时速度是第2点的速度呢？为什么不是它旁边的1或者是3点呢？因为有句话说得好：“看你身边有怎样的朋友就能知道你是怎样的人”，也就是所谓的“近朱者赤，近墨者黑”。所以你周围的点的平均水平也可以反映你的状况。我国数学家华罗庚先生也曾经解答过这个问题，他写了一本书叫做《优选法》，那么在这个“优选法”当中就明确地告诉我们：在做选择的时候，应该先选靠中间位置的选项。为什么呢？我们不需要了解，这个是经过了严密的计算后得出的。（联系《必修一·二章‘匀变速直线运动’》的中间时刻法）边缘点：

有时，打出的点非常密集。以至于分不清彼此。怎么办呢？就像我要收作业，一本一本收太慢了，我应该怎么办呢？让小组长先把自己小组的收起来，再一组一组交给我。我收一次就可以得到一组的作业本。那么处理点迹也是如此，我把打点计时器打下的所有点叫做“计时点”——可以记录时间：0.02s，就好像每位同学写的作业；而采用“五点取样”的方法，每5个点（隔4个点）标注一个点，称为“计数点”，就好像5个同学中选出了一个小组长。那么这个小组长手中的作业是5个人的作业，因此计数点的时间间隔也是5段计时点的间隔，为：5×0.02s=0.1s。

动手操作提出问题

现在同学们自己来操作。在做实验的过程中，我们注意对比快速拖动纸带和缓慢拖动纸带打出点的间距是否有所区别。

另外，我们发现当快速拖动纸带时，点之间的距离是不是特别大呀？而缓慢拖动纸带，点的距离就小一些。这个现象可以结合公式:s=vt来理解，打点计时器的计时间隔是0.02s不变，当我们快速拖动纸带时，速度v很快，导致点之间的距离就大，打出的点就稀疏；反之，缓慢拖动纸带，打出的点就密集一些。

处理图像

介绍如何拟合图线：“顺势、平滑”。

顺势：找到前进趋势；

平滑：不要求全责备，非要连成曲线或折线。而要学习星光大道，去掉无效数据——“最高分”、“最低分”，把那些獦獠的点去掉，都是腰间盘怎么就你突出呢？再求平均值。

核心：匀→直线；

匀速→平的线；

匀加速→倾斜的线。