07-81.4实验：用打点计时器测速度

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1、1.4 实验：用打点计时器测速度自主探究打点计时器打点周期等时性的检验与调整要知道打点计时器的打点周期是否等时，可以通过匀速运动或匀加速运动的纸带来检验如果打点的周期是等时的，则在记录匀速运动的纸带上，任意相邻两点间的距离都相等；在记录匀加速直线运动的纸带上，任意两个连续打点周期里的位移差d是个恒量一般采用自由落体运动的纸带来检验打点周期的等时性当打点周期稳定在0.02 s时，d应为3.92 mm（取重力加速度g9.80 ms2）影响打点器打点周期稳定的主要原因有两个：一个是电源频率不稳定，另一个是振动片的固有频率与电源频率不相同一般情况下，市电的频率比较稳定，因此，打点器打点周期不稳定的原因

2、往往是由于振动片的固有频率偏离了电源频率引起的振动片的固有频率与振动片的长度及材料的弹性系数有关，可以通过调节振动片的长度来调整它的固有频率方法是松开振动片的固定螺钉，改变振动片的长度，再观察振动片的振幅（观察时仍要把螺钉拧紧），把振动片的长度固定在振幅最大的位置上打点计时器调试结果的检验打点计时器调试结果的检验，可用下面两种方法进行：1使用示波器监视，边调节、边检验，具体方法如前所述。调节至电压波形跟右图相似，即可使用。2用输出功率在1瓦以上的低频信号发生器的输出作为打点器的工作电源（J0203型打点器线圈的阻抗约为50欧，J02031型打点器线圈的阻抗约为40欧），边改变低频信号发生器的频

3、率，边观察振动片的振幅，当振幅最大时的频率即为振动片的固有频率，从而较准确地测知振动片的原有固定频率。如果低于50赫，可将振动片的长度缩短些（J0203型）或将塔形弹簧拧紧些（J02031型）。相反，如高干50赫，可伸长振动片和放松塔形弹簧。实验检验得知，固有频率相差1赫时，振动片大约需要伸缩1毫米左右。另外，振动片在振动时与线圈架或与磁铁发生相碰（J0203型）或者振动片定位杆的摩擦太大（J02031型），都会出现打点周期不稳。打点针的针尖过于尖锐也是影响打点准确、稳定的常见故障。应用砂纸将它磨钝一些，以克服纸带移动时由于针尖产生的阻力。但不应磨得过于圆平，否则打出的点子过大，影响精度。J0

4、203型打点器的压纸框架（压圆形复写纸和纸带），不要压得过紧，否则，也会增大摩擦阻力，应调节压纸框上的螺丝，使之要松紧适度。电火花计时器与电磁打点计时器的比较这两种计时器的共同点是在纸带上记录运动物体的“时空”分布信息，计时基准都是取自市电的周期，在我国每两个点之间的时间间隔为002秒，因而有相同的数据采集方法与数据整理分析方法，并可与斜面小车、轨道小车等配套使用，但在可靠性、准确性以及课时利用率等方面，则有很大的差别。电火花计时器成功地克服了电磁打点计时器的缺点。 一、运动与计时互相干扰的排除 电磁打点计时器工作时，由市电经线圈引起磁场的周期变化，策动弹片带动打点针，在运动体拖动的纸带上，以

5、50 Hz频率打点，并产生了计时和运动间的相互干扰。 1计时对运动干扰的排除 电磁打点计时器的打点针对运动中的纸带产生冲击和摩擦，干扰了纸带的运动，这在自由落体实验中尤为显著。 电火花计时器利用高压脉冲火花放电，放电针与纸带没有接触，因而不会干扰纸带运动。 2排除运动对计时的干扰 电磁打点计时器的计时周期会受到纸带运动的干扰，对此我们进行以下分析和实验。以振子向下打点过平衡位置的作为0相位，这样在纸带上打点时的相位将在p/2附近稍小于p/2的一点上，只要打点能保持在同一相位上，打点的20 ms周期的等时性就能保证。当纸带静止时，若电磁打点计时器调节适当，打点的等时性得到保证。但是当纸带运动时，

6、受到打点针冲击作用的纸带对振子也产生反作用，从而影响到打点时相位产生显著漂移，结果破坏了打点的等时性。 图1是检查电磁打点计时器等时性的电路原理图。在电磁打点计时器上装一条传真原纸纸带代替电报纸带，或者用导电纸放在记录纸带的位置上。在纸带静止时，调好电磁打点计时器的等时性。R8型示波器接在线圈的两端，当纸带运动时，即可在示波器上看到打点相位的漂移，有时漂移可达2 ms，这是因为电磁打点计时器打点针的振幅有23mm，在p/2相位附近，打点针位移的变化，对打点相位漂移的影响最大。 电火花计时器的电路原理见图2，它也是用市电的周期变化策动的。为了叙述方便，以经K流入的电流的起点为零相位，则当0p/2

7、相位时市电对电容器C充电至310伏，p/2p相位时电路阻断，在相位后，电流经D2，R2，R3，进入可控硅BG，约到1.1时，进入BG的电流增至使可控硅触发导通，引起C经脉冲变压器T的原边L1D6及BG放电并在副边L2上形成单向脉冲高压。 每次放电在11附近的具体相位点，是由元件的性质决定的，它不受运动的干扰。电火花计时器的技术指标规定其漂移小于50s，即比电磁打点计时器的漂移小两个数量级。二、操作性能的改善 1减少调节，提高工作可靠性 使用电磁打点计时器时，对打点相位的调节，常常是一般师生难以掌握的技术难点；对已调好的计时器，在使用中因随环境因素而改变，即使耗费大量时间与精力调节，也常常难以调

8、好，从而降低了工作的可靠性，降低了实验的置信度和课时利用率。使用电火花计时器时由于不需要上述调节，一般学生在2一5分钟内便能采集到实验数据，从而可以使学生的精力集中到控制实验现象产生的条件，以及研究分析运动规律上去。 2安全性能的突破 电磁打点计时器在使用中是没有安全问题的。电火花打点计时长期不能在教学中使用的关键之一是安全问题。早期的电火花打点计时器、其记录灵敏度低下，依赖于电火花在白纸上烧孔，其电压大于6 kV，电流达80 mA，对人是有生命危险的。后来用热敏纸，电压也大于6 kV，电流为5至20 mA，也是极不安全的。我们采用的打点记录方法，是一种与电场描绘及传真记录相类似的微电流转印方

9、法，其电压虽然高达3万伏，但电流控制在200 A以下，从而解决了使用电火花计时器时的安全问题。 三、实验成本 电磁打点计时器是一种低成本教学仪器，它的价格和实验消耗都比较低。八十年代初，电火花计时器与电磁打点计时器之间的价格比在101以上，材料消耗比在501以上（前者用热敏纸时），经过长期研究改进，我们终于找到了图2所示的电路，在充电放电上都利用市电的相位信息，使电路大为简化，使两种产品的价格比低于21。由于电火花计时器不用低压电源（学生电源），而电磁打点计时器要用配套的学生电源，若将此项因素一并考虑，则上述的价格比就要倒过来了，因此，电火花计时器更便宜。在材料的消耗方面，由于我们采用了合适的

10、介质材料，火花放电的点迹经过放大转印到普通白纸上，因此比电磁打点计时器用的电报纸带价格更低，而且可以自制。综上所述，可知新型的电火花计时器完全具备了替代电磁打点计时器的条件，适于在我国普及。教材详解1. 电磁打点计时器(1) 实验仪器（如下图所示）（2）实验原理J0203型电磁打点计时器为磁电式结构，其构造如上图。当线圈通以50 Hz的交流电时，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0.02s。如下图所示，振动片的一端装有

11、打点针，当纸带从针尖下通过时。便打上一系列点，相邻点之间对应的时间为0.02 s。5个间距对应的时间为0.10 s。这样，如果把纸带跟运动的物体连在一起，即由物体带动纸带一起运动，纸带上各点间的距离就表示相应时间间隔中物体的位移。如下图所示，测量两点间的位移x，由点之间的间隔数得到时间间隔t，然后由公式计算得到物体在两点间的平均速度，从而了解物体的运动情况。如果，所取两点间隔较小时，可用所得平均速度，代表两点间某点的瞬时速度。（3）实验方法接通电源，先使打点计时器工作，再使纸带运动（用手拉动纸带）。注意手不要抖动，让纸带平稳地开始运动。待纸带全部通过后，随即切断电源。取下纸带。（4）注意事项打

12、点计时器使用前要注意检查电源是否符合要求（50 Hz、9 V），电源电压过高或过低会烧坏线圈或使打点效果不好。2电火花计时器电火花计时器是一种新型的力学实验记时及动态信息记录用仪器，它能克服电磁打点计时器的不足，而成为目前中学物理力学实验中的一种新型计时实验仪器。下面就该仪器的工作原理作一下介绍。电火花计时器电路原理如右图所示。当开关接通时，交流电压的正半周通过二极管、及限流电阻对电容器进行充电，使电容器上电压达到交流电压的峰值；在负半周时，通过二极管、，限流电阻及稳压管形成回路，稳压管的稳压电压为，其作用是限制加到晶闸管触发极上的电压不致过高，晶闸管被触发，电容器上的电压通过高压变压器初级线

13、包，二极管及晶闸管迅速放电，于是在的次级产生的脉冲电压，经过放电针、墨粉纸盘在普通纸带上产生放电迹点。电源频率的每一个周期放电一次，因电源频率为，故两个放电迹点的时间间隔为。高压脉冲也可以由接线柱引出，供电火花描迹仪及其他仪器使用。电火花计时器采用高压脉冲计时，放电针与运动纸带是不接触的，因此避免了计时与纸带运动的相互干扰。该仪器没有机械振动部分，可靠性好，整个电路部分密封在塑料盒中，高压脉冲电流小于0.2 mA，安全性好。若电路发生故障，应特别注意检查二极管有无损坏，电容是否击穿；也可用电阻表直接检测高压脉冲输出插孔两端，其阻值应约为。如测得的阻值很大，则说明高压变压器次级断路，应进行调换。

14、3.速度时间图像（v-t图象）匀速直线运动速度时间图象 匀速直线运动中，速度的大小和方向不随时间变化。我们以横轴表示时间，纵轴表示速度，在平面直角坐标系中就能作出匀速直线运动的v-t图象。如图，甲、乙两条图线分别表示物体以5 m/s和12 m/s的速度作匀速直线运动。注意：借助v-t图象求位移，因为位移s=vt，在图中阴影部分的面积就等于vt之积，即位移大小。借助s-t图象求物体的速度，因为位移s=vt，所以v=s/t，在图中，可得到，故在数值上v，即直线的斜率。合作学习例题1：打点计时器在使用时，应接在46V的_流电源上当频率是50 Hz的情况下，纸带上相邻两点的时间间隔为_s如果每打5个点

15、取一个计数点，那么相邻两个计数点间的时间间隔为_s 解析：要解答本题关键是要了解电磁打点计时器的有关知识，明确其计时原理。答案：交；0.02；0.10例题2：如图为某质点做直线运动的速度时间图像则以下说法正确的是：（ ）0t（s）（m/s）123412-2-1A. 质点始终向同一方向运动 B. 在运动过程中，质点运动方向发生变化C.前2S内做加速直线运动 D. 后2S内做减速直线运动解析：解答本题的关键是要掌握有关v-t图的相关知识。能正确地通过v-t图分析相关的问题。答案：B师生互动1用接在50 Hz交流低压电源上的打点计时器，测定小车做匀加速直线运动的加速度，某次实验中得到的一条纸带如图所

16、示，从比较清晰的点起，每五个打印点取一个计数点，分别标明0、1、2、3、4，量得0与1两点间距离s1300 mm，3与4两点间距离s4=480 mm，则小车在0与1两点间的平均速度为_m/s 2我们开始做练习使用打点计时器的实验时，应把打点计时器固定在桌子上，纸带穿过_ _孔，把复写纸片套在_上，并且压在纸带上面 课后习题解答1答案：电磁打点计时器会引起较大的误差；因为电磁打点计时器的打点针对运动中的纸带产生冲击和摩擦，干扰了纸带的运动；电磁打点计时器的计时周期反过来会受到纸带运动的干扰。这些都会产生较大的误差。2答案：（1）图中所示纸带，左端与重物相连。因为，物体下落过程中为加速运动，因而相邻两点间的距离应不断增大，间距大的点应为离重物较远的点。所以重物应与纸带左端相连。（2）取与点A相邻的左右两个点，测量两点间的距离s，则vAs/0.04。因为打A点时重物的瞬时速度等于与点A相邻的左右两个点间的平均速度。3答案：（1）甲具有一定初速，乙从静止开始运动 （2）甲的速度不变，乙是先加速再匀速最后减速直到最终静止 （3）甲、乙运动方向都没有变化1 答案：速度越大，两点间距越大；牵动纸带的快慢不均匀，对相邻两点所表示的时间没有影响。5答案：（略）师生互动答案（1.4 实验：用打点计时器测速度）1.32限位孔；定位轴