電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器用于平拋和自由落體實(shí)驗(yàn)

淦克沖

(寧波中學(xué) 浙江 寧波 315100)

1 電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器原理

電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器是利用火花放電使墨粉在紙上打出墨點(diǎn)而顯出點(diǎn)跡的一種計(jì)時(shí)儀器.給電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接220 V電源，按下脈沖輸出開(kāi)關(guān)，計(jì)時(shí)器發(fā)出的脈沖電流，經(jīng)接正極的放電針和墨粉紙盤(pán)到接負(fù)極的紙盤(pán)軸，產(chǎn)生火花放電.于是,在紙帶上打出一系列的點(diǎn)，而且在交流電的每個(gè)周期放電一次;因此電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出點(diǎn)間的時(shí)間間隔等于交流電的周期.因電源的頻率為50 Hz，所以?xún)蓚€(gè)放電跡點(diǎn)的時(shí)間間隔為20 ms.高壓脈沖也可以由接線柱引出，供電火花描跡儀及其他儀器使用.

2 電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器用于平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

2.1 問(wèn)題提出

平拋運(yùn)動(dòng)是高中物理3個(gè)基本運(yùn)動(dòng)之一.人教社編著的普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)《物理·必修2》的第一章第三、四節(jié)所選拋體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，給出平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，但對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)過(guò)程不能進(jìn)行定量探究，因此平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律難以揭示.

2.2 解決方案

改變電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用時(shí)需固定的做法，將電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器放電針置于平拋物體上，利用墨粉紙、白紙記錄平拋物體的軌跡.

2.3 制作材料

鐵質(zhì)黑板1塊，石質(zhì)球1個(gè)(直徑約4 cm)，導(dǎo)軌1個(gè)，彈簧槍1支，實(shí)驗(yàn)室用電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器1只，大頭針1根，墨粉紙、白紙各1張，電烙鐵，導(dǎo)線若干.

2.4 制作過(guò)程

石質(zhì)球沿直徑方向穿孔，孔徑略粗于導(dǎo)線為宜.電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器內(nèi)部放電導(dǎo)線各自接出，一根與鐵質(zhì)黑板焊接，一根與大頭針鈍的一端接觸.大頭針穿過(guò)石質(zhì)球孔，固定大頭針于孔口，露出3 mm.導(dǎo)軌水平放置并固定，導(dǎo)軌一端安裝彈簧槍一支.

2.5 實(shí)驗(yàn)裝置如圖1

圖1

2.6 實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 鐵質(zhì)黑板豎直方向固定，板面依次貼墨粉紙、白紙；

(2) 石質(zhì)球置于水平導(dǎo)軌上，石質(zhì)球孔成水平，孔軸與黑板垂直，大頭針針尖靠近白紙；

(3) 接通電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源，用彈簧槍將石質(zhì)球彈出，待球著地關(guān)閉電源.

2.7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2

圖2 平拋運(yùn)動(dòng)軌跡

2.8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

第1，2點(diǎn)連線水平，石質(zhì)球沿水平軌道做水平直線運(yùn)動(dòng).以平拋起始點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，水平方向?yàn)閤軸，豎直方向?yàn)閥軸.將實(shí)驗(yàn)記錄位置分別向坐標(biāo)軸進(jìn)行投影，測(cè)量相鄰?fù)队包c(diǎn)間距.水平投影點(diǎn)間距相等，起始兩豎直投影點(diǎn)間距為2 mm，其余點(diǎn)豎直間距可計(jì)算出加速度為9.8 m/s2.由運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)可以得出，誤差允許范圍內(nèi)，得到該次平拋運(yùn)動(dòng)沿水平分運(yùn)動(dòng)是勻速運(yùn)動(dòng)，沿豎直方向分運(yùn)動(dòng)是自由落體運(yùn)動(dòng).

2.9 實(shí)驗(yàn)制作的幾個(gè)細(xì)節(jié)

起初使用直徑約1.5 cm金屬小球與導(dǎo)線連接，讓小球直接火花放電，放電失敗；原因可能是小球表面光滑，放電效果差.改用大頭針焊接在鐵球上，放電效果很明顯；但小球沿斜槽軌道滾下過(guò)程受金屬導(dǎo)線的影響很大，運(yùn)動(dòng)過(guò)程軌跡很容易發(fā)生偏離，打點(diǎn)現(xiàn)象不明顯.改用金屬圓柱物，質(zhì)量加大，沿斜槽軌道滾動(dòng)，受焊接的導(dǎo)線影響也很明顯，不能很好地打點(diǎn).改用長(zhǎng)方體金屬作為平拋物體，水平直線運(yùn)動(dòng)離開(kāi)桌面時(shí)金屬發(fā)生翻轉(zhuǎn)，效果也不佳.使用石質(zhì)球做平拋物體，石球質(zhì)量較大，導(dǎo)線的水平阻力可以忽略.為降低導(dǎo)線焊接處扭轉(zhuǎn)的影響，把導(dǎo)線末端皮層剝?nèi)ィ饘俳z捏成小團(tuán)，與固定在孔上的大頭針接觸但不焊接.為減小石球滾動(dòng)受導(dǎo)線的影響，使用彈簧槍對(duì)石球進(jìn)行加速，縮短石球獲得速度的距離，同時(shí)也可減少石質(zhì)球沿水平軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng).放電針較難準(zhǔn)確地固定在石球的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，放電針的偏心運(yùn)動(dòng)，點(diǎn)跡不能很好地記錄物體做平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡.

2.10 實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

利用點(diǎn)跡，通過(guò)測(cè)量，探究平拋物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律.通過(guò)分析點(diǎn)跡投影間距，可以得到平拋運(yùn)動(dòng)的豎直分運(yùn)動(dòng)加速度大小為當(dāng)?shù)刂亓铀俣却笮。椒诌\(yùn)動(dòng)是勻速直線運(yùn)動(dòng).

2.11 實(shí)驗(yàn)不足之處

該實(shí)驗(yàn)不能得到平拋物體運(yùn)動(dòng)完整的軌跡，放電針裸露在球表面，考慮到安全性，放電針落地后電源要及時(shí)關(guān)閉.

3 自由落體實(shí)驗(yàn)

3.1 問(wèn)題提出

使用電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器研究物體自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，通常做法是將電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定，物體拖著紙帶打點(diǎn)，紙帶上點(diǎn)跡間距與物體運(yùn)動(dòng)相反的方向增大，這對(duì)學(xué)生認(rèn)識(shí)自由落體運(yùn)動(dòng)會(huì)造成一定障礙.

3.2 解決方案

為使上述平拋運(yùn)動(dòng)的石質(zhì)球做自由落體運(yùn)動(dòng)，利用石質(zhì)球的針尖放電，記錄石質(zhì)球做自由落體運(yùn)動(dòng)的軌跡.

3.3 實(shí)驗(yàn)裝置如圖3

圖3

3.4 實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 小黑板豎直方向固定，板面上依次貼墨粉紙、白紙；

(2) 使用細(xì)棉線將石質(zhì)球吊起，放電針是水平方向，與小黑板垂直；

(3) 接通電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源；

(4) 剪斷細(xì)棉線，石質(zhì)球做自由落體運(yùn)動(dòng)；

(5) 待石質(zhì)球著地關(guān)閉電源.

3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4

圖4 自由落體運(yùn)動(dòng)軌跡

3.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)得出的軌跡間距與傳統(tǒng)操作方法打出的點(diǎn)間距完全符合.改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)直接記錄石質(zhì)球在不同時(shí)刻的位置，記錄點(diǎn)在不同位置的速度和加速度就是石質(zhì)球的速度和加速度.實(shí)驗(yàn)測(cè)量更簡(jiǎn)單，教學(xué)更直觀，對(duì)學(xué)生視覺(jué)沖擊力強(qiáng)，能激發(fā)學(xué)生對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)速度和加速度測(cè)量的興趣，有利于自由落體概念的形成和對(duì)學(xué)生探究興趣的培養(yǎng).