尹西會

【摘要】電磁打點計時器和電火花計時器是高中物理實驗中經常用到的計時儀器，但在某些高中教學實驗中學生不能正確規(guī)范操作，存在一定的誤區(qū)。本文主要從理解兩種打點計時器工作原理的前提下來探究勻變速直線運動，并掌握在實際問題中計算勻變速直線運動物體的速度和加速度的常用方法。目的是使學生較為深入地學習物理實驗的有關理論、方法和技能；進一步提高學生的實驗素養(yǎng)，激發(fā)學生實驗探究的興趣；增強現(xiàn)代學生的創(chuàng)新意識；培養(yǎng)學生實事求是、嚴謹認真的科學態(tài)度；養(yǎng)成交流與合作的良好習慣；發(fā)展學生的實踐能力。

【關鍵詞】計時器 探究 勻變速直線運動 速度 加速度

【中圖分類號】G632 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）03-0201-02

物理新課標將實驗探究列入課程目標、內容標準和實施建議之中。物理實驗在教學中得到了更多的重視和加強，學生的探究能力、操作技能都有了新提高。近幾年各省市高考理科綜合卷更加重視對物理實驗原理、實驗器材、實驗步驟的考查，本文淺析利用兩種計時器來探究勻變速直線運動，以此來體現(xiàn)高考對考生實驗探究能力、創(chuàng)新能力和遷移能力的考查。

每每領學生到實驗室做物理實驗本人就頭疼，今年輪到教高一，又到了做物理實驗的時候，學生入高中以來的幾個重要實驗幾乎都用到用兩種打點計時器，回想以前上物理實驗課情景，筆者在上面講，學生在下面無動于衷，筆者苦口婆心的講，還要三番幾次的停下維持實驗秩序，而學生的實驗效果卻不明顯。事后坐下來反思，究其原因是學生對實驗原理、數(shù)據處理、實驗步驟、注意事項等問題理解不深不透不細，從而阻斷深入探究的思維能力。下面筆者就上述幾個問題加以澄清：

首先我們來明確兩種打點計時器的工作原理。

電磁打點計時器：

1.構造：如圖所示

2.工作原理：電磁打點計時器是一種使用低壓交流電源的計時儀器，工作電壓在6V以下。通電以前，把紙帶穿過限位孔，再把套在軸上的復寫紙壓在紙帶的上面。接通電源后，在線圈和永久磁鐵的作用下，振片便振動起來，位于振片一端的振針就跟著上下振動，其振動周期與線圈中的電流變化的周期一致。當電源的頻率是50Hz時，它每隔0.02S打一個點。如果紙帶運動，振針就通過復寫紙在紙帶上留下一行小點。如果把紙帶跟運動物體連在一起，即由物體帶動紙帶一起運動，紙帶上各點之間的距離就表示相應時間間隔中物體的位移。由這些點的位置，我們便可以了解物體的運動情況。

電火花計時器：

1.構造：如圖所示

2.工作原理：電火花計時器是利用火花放電在紙帶上打出小孔而顯示出點跡的計時儀器。使用時，墨粉紙盤套在紙盤軸上，并夾在兩條白紙帶之間。當接通220V的交流電源，按下脈沖輸出開關時，計時器發(fā)出的脈沖電流經接正極的放電針、墨粉紙盤到接負極的紙盤軸，產生火花放電，于是在運動的紙帶1上就打出一行點跡。當電源頻率是50Hz時，每隔0.02S打一個點。

電火花計時器比電磁打點計時器更精確，實驗誤差小。兩種打點計時器在實驗中的作用是相同的，在以后敘述中不再區(qū)分。

那如何來探究勻變速直線運動呢？筆者提供兩種常用方法：

1.逐差法：

2.圖像法：

由數(shù)據 x1、x2、x3、x4……xn ，打點計時器打點的周期為T，根據公式求出相應的速度 v1、v2、v3、v4……vn的值，然后描點作出v-t 圖像，則得到的傾斜直線的斜率等于物體運動的加速度值。

下面我們來熟悉具體的實驗操作方法。

1.把一端附有定滑輪的長木板平放在實驗桌上，并使滑輪伸出桌面，把打點計時器固定在長木板上沒有滑輪的一端，將打點計時器與學生電源相連，如圖所示。

2.用一條細繩拴在小車上，細繩跨過滑輪，并在細繩的另一端掛上合適的鉤碼，放手后小車能在長木板上平穩(wěn)的加速滑行一段距離。把紙帶穿過打點計時器，并把它的一端固定在小車的后面。

3.把小車停在靠近打點計時器處，先接通電源，再放開小車，讓小車帶動紙帶運動，打點計時器就在紙帶上打下一系列的點，關閉電源，取下紙帶，換上新紙帶，重復實驗多次。

4.從幾條紙帶中選擇一條比較理想的紙帶，舍掉開始一些比較密集的點，在后面便于測量的地方找一個開始點，以后依次每五個點取一個計數(shù)點，并標明A、B、C、D……，如圖所示，用刻度尺測出A到O、B到O、C到O…之間的距離，再通過計算求出O到A 、A到B、B到C……之間的距離x1、x2、x3….

在上述操作進程中，筆者以為需要注意以下幾個問題：

1.同學們要是第一次使用打點計時器，操作前一定要認真閱讀課本或老師準備的實驗器材說明卡，結合實物弄清它的結構、各部分的功能、使用注意問題。

2.長木板應當穩(wěn)固傾斜，傾斜的角度應使紙帶上打出足夠多的清晰點；固定打點計時器時要注意：將打點計時器紙帶限位器與長木板縱軸位置對齊，使紙帶、小車拉線和定滑輪在一條直線上。

3.若使用電磁打點計時器，應會用復寫紙調節(jié)片。安裝復寫紙時，先將復寫紙調節(jié)片向外拉出，將復寫紙圓片孔套在復寫紙定位銷上，向里推調節(jié)片，可調節(jié)復寫紙位置。如果發(fā)現(xiàn)振針打不出點，要注意調節(jié)振針的高度。紙帶打完后立即切斷電源。若使用電火花計時器，墨粉紙盤套在紙盤軸上，有墨粉的一面朝下。如果發(fā)現(xiàn)有頻率選擇開關，可以選擇50Hz擋。紙帶打完后立即切斷電源。

4.先接通電源使打點計時器穩(wěn)定工作后，再釋放紙帶。

5.測量紙帶等時段位移時，盡量用長尺一次測完。

6.選取計數(shù)點時，應舍掉開頭部分密集的點和末端部分位移間隔已經減小的點，僅選取位移間隔均勻增加的中間部分。

7.注意區(qū)分計時點間的時間間隔與計數(shù)點間的時間間隔。

8.作速度-時間圖像要選擇合適的標度，使圖分布在坐標紙的大部分區(qū)域。連線時應使盡量多的點在一條直線上，不在直線上的點盡量落在圖線的兩側。

近10年高考題中涉及打點計時器的題目很多，筆者舉幾例說明。

例如：（2006年·重慶理綜）某同學用如圖所示裝置測量重力加速度g，所用交流電頻率為50Hz.在所選紙帶上取某點為0號計數(shù)點，然后每3個點取一個計數(shù)點，所有測量數(shù)據及其標記符號如下圖所示.

從數(shù)據處理方法看，在S1、S2、S3、S4、S5、S6中，對實驗結果起作用的，方法A中有__________；方法B中有_________.因此，選擇方法______（A或B）更合理，這樣可以減少實驗的________（系統(tǒng)或偶然）誤差.本實驗誤差的主要來源有________（試舉出兩條）.

【答案】S1，S6或37.5，193.5；S1，S2，S3，S4，S5，S6或37.5，69.0，100.5，131.5，163.0，193.5；B；偶然；阻力[空氣阻力，振針的阻力，限位孔的阻力，復寫紙的阻力等]，交流電頻率波動，長度測量，數(shù)據處理方法等.

這樣，全部數(shù)據對實驗結果都起作用，可以減少數(shù)據測量帶來的偶然誤差.因此，選擇方法B更合理.本實驗誤差的主要來源于各種阻力、交流電頻率波動等系統(tǒng)誤差，長度測量等偶然誤差以及數(shù)據處理方法不當?shù)?

再比如：（山東2012高考理綜題）21題：（1）某同學利用圖甲所示德 實驗裝置，探究物塊在水平桌面上的運動規(guī)律。物 塊在重物的牽引下開始運動，重物落地后，物塊再運動一段距離停在桌面上（尚未到達滑輪處）。從紙帶上便于測量的點開始，每5個點取1個計數(shù)點，相鄰計數(shù)點間的距離如圖議所示。打點計時器電源的頻率為50Hz。

①通過分析紙帶數(shù)據，可判斷物塊在相鄰計數(shù)點 _________和_________之間某時刻開始減速。

②計數(shù)點5對應的速度大小為_________ m/s，計數(shù)點6對應的速度大小為_________m/s。（保留三位有效數(shù)字）。

③物塊減速運動過程中加速度的大小為a =_________m/s2，若用 來計算物塊與桌面間的動摩擦因數(shù)（g為重力加速度），則計算結果比動摩擦因數(shù)的真實值 _________（填“偏大”或“偏小”）。

【答案】：21.（1）①6；7【或7；6】②1.00；1.20③2.00；偏大

解析：（1）①由紙帶上各點間距可以看出，6、7兩點間距離最大，在計數(shù)點6之前，連續(xù)相等的時間內位移差Vx=2.00cm，而6、7兩計數(shù)點間位移與前一段位移之差Vx=x67-x56<2.00cm 。故物體在兩相鄰計數(shù)點6和7之間開始減速。

由此可見，近幾年各省市高考理科綜合卷更加重視對物理實驗原理、實驗數(shù)據處理的考查，對考生實驗探究能力、實驗遷移能力的考查也有所提高。因此我們一線教師應重視和加強物理實驗教學。