運動合成演示實驗的改進
——用打點計時器演示運動合成

周保健

(邳州市官湖高級中學 江蘇 邳州 221321)

人教課標版物理教材《必修2》第 4頁運動合成演示實驗：用的是紅蠟塊在玻璃管中勻速上升，然后用手拿著玻璃管使其在水平方向上勻速運動.本實驗在實際教學演示過程中效果較差，主要原因：

(1)在觀察上學生無法直觀判斷小蠟塊在玻璃管中是否勻速上升；

(2)在操作上手動很難做到在水平方向勻速運動；

(3)即使以上兩條都做到了，學生也不能直觀定量判斷小球的合運動就是勻速直線運動.

筆者在教學過程中采用電火花計時器打點的原理，描繪出合運動的軌跡，并用其計時功能，定量計算出合速度與分速度的關系.

1 電火花計時器工作原理

圖1為目前在普通高中推廣使用的J01207型電火花計時器的電路原理圖.開關S接通后，220 V交流電正半周通過二極管D1、D4和限流電阻R1，對電容器C1充電；交流電負半周通過二極管D2、D3和限流電阻R2及穩壓管D5.當穩壓管上電壓達到穩定值10 V時，晶閘管被觸發.此時在交流電正半周加在電容器上的電壓通過變壓器T初級線圈，二極管D8，晶閘管D6放電，于是在變壓器T次級線圈產生高達30 kV的脈沖電壓，這樣交流電每一周放電一次，脈沖電流經過接正極的放電針、墨粉紙盤，到接負極的紙盤軸上產生火花放電，于是在運動的紙帶上就打出一系列的點跡.當電源頻率是50 Hz時，每隔0.02 s打點一次.電火花計時器上有正脈沖輸出插座(紅色)和負脈沖輸出插座(黑色)，輸出的高壓使電火花放電間隙可達1 cm以上，下面的實驗就利用了計時器這對擴展插座.

圖1

2 運動合成演示實驗

2.1 實驗器材

慢速電機2個，自制水平鋁合金框架(內含凹槽滑軌)，金屬滑輪4個，細直鐵絲2根，鋁金屬面板60 cm×60 cm,電火花打點計時器，多孔插座1個，導線若干.

2.2 實驗組件的制作與裝配

(1)鋁合金框架的制作

用兩細鐵管支柱和鋁合金組合制成高60 cm，長120 cm的水平鋁合金框架，框架上下內側裝有對稱凹槽滑軌，如圖2所示.

(2)放電針的制作

把銅導線一端打磨成針尖，剪取4 cm左右作放電針；把膠皮導線和放電針焊接在一起；膠皮導線的另一端焊接一只鱷魚夾，便于實驗時連接電火花計時器的高壓正極脈沖輸出端.為了防止放電針在運動過程中晃動，把它插入到一泡沫滑塊中.

圖2

(3)滑塊的制作

取家用電器包裝箱內減震作用的硬泡沫一小塊，在其上下表面分別再加一片硬塑料，中間用細軟繩扎緊.再取2根細直鐵絲穿過硬泡沫.

(4)底板的制作

把長60 cm、寬60 cm、厚5 mm的鋁板固定在鋁合金壓條框內，并在框的上下兩面對稱地各裝2個金屬滑輪.金屬滑輪與鋁合金框架就作為高壓端負極，與打點計時器高壓負極脈沖輸出端連接.將實驗室所用的電火花計時器整張碳粉紙貼在60 cm×60 cm的白紙上.

(5)實驗組件的裝配

將制作好的放電針水平插入到滑塊里，再將穿過滑塊的兩根鐵絲分別固定在鋁合金框架的上下表面.注意固定時應使兩鐵絲盡量保持豎直且呈拉直狀態.將制作好的底板放入金屬框架凹槽滑軌中，用手輕推，以底板能夠自由滑動較遠距離為好；將慢速電動機A固定在鋁合金框架的右下端，使電機軸線與固定在底板下方的掛鉤在同一水平線上；然后用細繩通過電機軸和掛鉤繞在一起，將另一個慢速電機B固定在鋁合金框架的上端，使電機軸線正好在穿過滑塊的兩根鐵絲的中間；然后用細繩通過電機軸和滑塊連接在一起，且使細繩盡量與底板、直鐵絲平行.裝備好的實驗裝置平視圖如圖3所示.

圖3

2.3 實驗過程

首先使鋁板移到裝置的最左端，同時打開電機A和打點計時器，(把電機A與打點計時器同時插入多孔插座上，打開多孔插座開關即可同時打開.)在紙面上就會出現如圖4的圖線；然后把鋁板再移到最左端，拿開A電機電源，使B電機與打點計時器插入多孔插座上，并同時打開，在紙面上將會出現如圖的圖線；最后再把鋁板移到最左端，同時把電機A、B和打點計時器同時插到多孔插座上，并打開多孔插座的開關，在紙面上出現如圖6的直線.學生對比水平、豎直與合運動的圖線，很直觀并能定量計算出合運動與分運動位移、速度關系.

圖4 圖5 圖6

本實驗裝置還能描繪出類平拋運動的規律、兩個勻加速運動的合運動的規律.類平拋運動的規律，只需把實驗裝置中的右下端A電機拿下，并在此位置裝上一個定滑輪，并使定滑輪伸出框架外側，且細繩一端連接底板掛鉤而后繞過滑輪，細繩與滑軌平行.另一端連接一重物(如鉤碼)，則釋放重物的同時打開電機B與打點計時器，就實現水平方向勻加速、豎直方向勻速運動的軌跡圖像.