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        “探究功與速度變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

        2021-09-10 07:22:44潘隆軍
        高考·中 2021年1期
        關(guān)鍵詞:擴(kuò)展

        摘 要:采用改裝的J0201數(shù)字計(jì)時(shí)器,等間距放置4個(gè)光電門(mén)探究功與速度變化的關(guān)系,該方法充分利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)器材,實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)單,不需要平衡摩擦力,不需要紙帶等實(shí)驗(yàn)耗材,實(shí)驗(yàn)誤差小。

        關(guān)鍵詞:數(shù)字計(jì)時(shí)器;功與速度變化;光電門(mén);擴(kuò)展

        《物理教學(xué)探討》2019年第2期曾刊登劉詩(shī)雨等的文章“‘探究功與速度變化的關(guān)系’實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)”,該文利用朗威DISLab和4個(gè)光電門(mén)采用“等間距”放置光電門(mén),鉤碼牽引小車(chē)做功使小車(chē)速度變化,從而探究功與速度變化的關(guān)系。但朗威DISLab實(shí)驗(yàn)套件在很多學(xué)校并未配置(有些沒(méi)有配置4個(gè)以上光電門(mén)),因而無(wú)法進(jìn)行這樣的實(shí)驗(yàn)。鑒于此,本人通過(guò)分析本校配置的J0201數(shù)字計(jì)時(shí)器電路,成功擴(kuò)展了光電門(mén)數(shù)量,用J0201數(shù)字計(jì)時(shí)器和光電門(mén)做“探究功與速度變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn),因?yàn)閿?shù)字計(jì)時(shí)器只配備了兩個(gè)光電門(mén)接口,采用這種方法必須將光電門(mén)數(shù)擴(kuò)展到4個(gè)以上。

        一、擴(kuò)展光電門(mén)數(shù)

        J0201數(shù)字計(jì)時(shí)器的核心器件是8051單片機(jī),該儀器主板簡(jiǎn)化電路如圖1所示。從光電門(mén)輸入的檢測(cè)信號(hào)經(jīng)U1A或U1B(型CD40106)反相后進(jìn)入二選一模擬開(kāi)關(guān)U2(CD4053),兩路輸入在程序控制下分時(shí)進(jìn)入U(xiǎn)3的中斷輸入端口INT1。在光電門(mén)沒(méi)有擋光的情況下,接收管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài),U1A、U1B輸入低電平,反相后輸出高電平,而程序設(shè)定U3的INT1端為下降沿中斷(開(kāi)始計(jì)時(shí)),所以此時(shí)為等待狀態(tài)。任意一只接收管被擋光瞬間,U1A或U1B輸入由低電平變?yōu)楦唠娖?,反相輸出端為高電平變低電平(即下降沿),觸發(fā)INT1中斷開(kāi)始計(jì)時(shí)。J0201數(shù)字計(jì)時(shí)器能記憶最后十次數(shù)據(jù),且任意光電管檔光瞬間觸發(fā)計(jì)時(shí),利用這一點(diǎn),J0201數(shù)字計(jì)數(shù)器最多可將光電門(mén)數(shù)目擴(kuò)展到10個(gè)。

        二、改裝方法

        以擴(kuò)展“光電門(mén)1”接口為例,首先應(yīng)將圖1中的R1(100kΩ)上端由接+5v改為接地(GND),保證未接光電門(mén)時(shí)U1A輸入端為低電平。擴(kuò)展電路如圖2所示,圖中只畫(huà)出了兩組光電門(mén),實(shí)際可擴(kuò)展多組,以豎虛線(xiàn)為界每一段為一組,包括紅外發(fā)射、接收電路。R3、R5為發(fā)射管限流電阻,T1、T2為紅外接收光敏三極管,(因光敏三極管的基極未引出,所以只有兩個(gè)引腳,外封裝與光敏二極管相似,要注意區(qū)分)。R4、R6分別為T(mén)1、T2負(fù)載電阻。

        該方法簡(jiǎn)單易行,基本不改動(dòng)主電路板。筆者已改裝成功,將一個(gè)接口掛接4組光電門(mén)用于實(shí)驗(yàn)中。注意改裝后“光電門(mén)2”接口仍需插接上光電門(mén)2并且不能被檔光,否則會(huì)干擾“光電門(mén)1”正常工作。

        三、實(shí)驗(yàn)裝置

        實(shí)物如圖3

        實(shí)驗(yàn)器材包括:J0201數(shù)字計(jì)時(shí)器,J2183軌道小車(chē)一套,經(jīng)過(guò)改裝的光電門(mén),質(zhì)量為20克的鉤碼一個(gè),0.9米左右的直方木條一根,寬2厘米長(zhǎng)10厘米的薄鋁條一根,細(xì)線(xiàn)一根。

        四、用數(shù)字計(jì)時(shí)器“探究功與速度變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)原理、方法

        (一)實(shí)驗(yàn)原理:

        如圖4所示,在A、B、C、D、E5個(gè)位置上等間距放置5個(gè)光電門(mén),其中A位置的光電門(mén)沒(méi)有與接口連接,僅起指示小車(chē)初始位置的作用。

        B、C、D、E4個(gè)光電門(mén)接入數(shù)字計(jì)時(shí)器1接口。5個(gè)光電門(mén)用螺釘?shù)乳g距固定在長(zhǎng)直方木條上(保證光電門(mén)高度一致),與J2183鋁合金軌道平行放置。寬2厘米的薄鋁條彎成“幾”字彎,用螺絲釘固定在小車(chē)前方左側(cè)邊緣(用于擋光),鉤碼通過(guò)細(xì)線(xiàn)跨過(guò)定滑輪牽引小車(chē)運(yùn)動(dòng)。

        小車(chē)從靜止開(kāi)始經(jīng)過(guò)A-E各個(gè)光電門(mén),通過(guò)鋁條擋光時(shí)間和鋁條寬度測(cè)算出小車(chē)經(jīng)過(guò)光電門(mén)時(shí)的即時(shí)速度(鋁條有一定的寬度,實(shí)際是鋁條經(jīng)過(guò)光電門(mén)時(shí)的平均速度)。

        小車(chē)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受力情況沒(méi)有發(fā)生變化,各光電門(mén)間距相等,因而外力(包括摩擦力在內(nèi))在各段對(duì)小車(chē)做的功是相等的(記作w)。因此,不必計(jì)算每段做功的具體數(shù)值,也不需要平衡摩擦力。

        (二)實(shí)驗(yàn)方法:

        1.按圖3所示擺放實(shí)驗(yàn)器材,各光電門(mén)連接至J0201數(shù)字計(jì)時(shí)器光電門(mén)接口1。

        2.鉤碼通過(guò)細(xì)線(xiàn)跨過(guò)定滑輪連接至小車(chē)前端。

        3.小車(chē)放置水平軌道上,擋光片置于(緊挨著)第一個(gè)光電門(mén)邊緣。

        4.釋放小車(chē),記錄小車(chē)上擋光片經(jīng)過(guò)各光電門(mén)的擋光時(shí)間。

        五、數(shù)據(jù)處理

        筆者實(shí)驗(yàn)所用的器材,鋁條擋光片寬度為2厘米,相鄰光電門(mén)間距為18厘米。

        小車(chē)質(zhì)量194.5克,鉤碼質(zhì)量20克。其它實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1

        以上數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)EXCEL軟件以速度、速度的平方為橫坐標(biāo)做功為縱坐標(biāo),作圖像見(jiàn)圖5、圖6所示。

        從圖6可知w—v2圖像是一條經(jīng)過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn),即w∝v2。

        結(jié)束語(yǔ):以J0201數(shù)字計(jì)時(shí)器和光電門(mén)做上述實(shí)驗(yàn),充分開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)器材,簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程,不需要平衡摩擦力,一次實(shí)驗(yàn)就可以獲得所需實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),節(jié)約時(shí)間用于數(shù)據(jù)分析。不需要實(shí)驗(yàn)紙帶利于環(huán)保。并且提高了精度,很容易得出功與速度變化的關(guān)系。

        參考文獻(xiàn)

        [1]人民教育出版社課程教材研究所,物理課程教材研究中心普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理必修2[M]北京:人民教育出版社,2010:69-71

        [2]劉詩(shī)雨、余雪妹.探究功與速度變化的關(guān)系實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].物理教學(xué)探討,2019(2):49-52

        [3]曹衛(wèi)華.優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)培養(yǎng)創(chuàng)新能力探究功與速度變化的關(guān)系實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與教學(xué)實(shí)踐[J]中學(xué)物理,2012(4):46-47

        作者簡(jiǎn)介:潘隆軍(1964-),男,中學(xué)高級(jí)教師,主要從事中學(xué)物理教學(xué)工作。

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