4 实验：用打点计时器测速度
电磁打点计时器
电磁打点计时器是一种能够按照相同的时间间隔，在纸带上连续打点的仪器。它使用交流电源，由学生电源供电，工作电压在6V以下。当电源的频率是50Hz时，它每隔0.02s打一个点。
电磁打点计时器的构造如图1.4-1所示。通电以前，把纸带穿过限位孔，再把套在轴上的复写纸片压在纸带的上面。接通电源后（打点计时器只能连续工作很短时间，打点之后要立即关闭电源），在线圈和永久磁铁的作用下，振片便振动起来，带动其上的振针上下振动。这时，如果纸带运动，振针就通过复写纸在纸带上留下一行小点。
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，纸带上各点之间的距离就表示相应时间间隔中物体的位移。由这些点的位置，我们可以了解物体的运动情况。
电火花计时器
电火花计时器的计时原理与电磁打点计时器相同，不过在纸带上打点的不是振针和复写纸，而是电火花和墨粉。
使用时，墨粉纸套在纸盘轴上，把纸带穿过限位孔（图1.4-2）。当接通电源、按下脉冲输出开关时，计时器发出的脉冲电流经放电针、墨粉纸盘到纸盘轴，产生火花放电，于是在运动的纸带上就打出一行点迹。当电源频率是50Hz时，每隔0.02s打一次点。
这种计时器工作时，纸带运动时受到的阻力比较小。
电磁打点计时器和电火花计时器在实验中的作用是相同的，所以今后的叙述中不再区分，统称打点计时器。
练习使用打点计时器
打点计时器是高中物理实验中常用的仪器，用它进行实验之前应该事先熟悉它的使用方法。
1．了解打点计时器的结构，然后把它固定好。
2．安装纸带。
3．启动电源，用手水平拉动纸带，纸带上就打出一行小点。随后立即关闭电源。
4．取下纸带，从能够看清的某个点开始，往后数出若干个点。如果数出n个点，这些点划分出来的间隔数是多少？由此计算出纸带从第一个点到第，n个点的运动时间。
5．用刻度尺测量出第一个点到第n个点的距离。
在进行实际测量之前，自己设计一个表格，用来记录以上测量值。
思考与讨论
怎样根据纸带上的点迹计算纸带的平均速度？
如果纸带上的点迹分布不均匀，那么，点迹密集的地方表示运动的速度较大还是较小？
用打点计时器测量瞬时速度
在图1.4-4的例子中，测量后计算得出的是D、G两点间的平均速度。如果我们不要求很精确，用这个平均速度粗略地代表E点的瞬时速度，也未尝不可。然而，如果把包含E点在内的间隔取得小一些，例如图1.4-5中的DF，那么根据D、F两点间的位移∆x和时间∆t，算出纸带在这两点间的平均速度v＝
下面测量你自己用手拉纸带的速度。为了描述速度变化的情况，请你根据纸带上的点，每隔0.1s（或更短些的时间）计算一次速度。先在纸带上用数字0，1，2，…，5标出这些计数点，然后仿照图1.4-5的办法，测量包含这个点的一小段位移∆x，记录在表1中，同时记录对应的时间∆t。
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表1 手拉纸带在几段时间中的位移和平均速度 |
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位置 |
0 |
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∆x / m |
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∆t / s |
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v / m·s-1 |
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上表算出的v是0，1，2，…，5各点附近的平均速度，把它们当做计时器打下这些点时的瞬时速度，抄入表2。点0作为计时的开始，t＝0。
从器材上直接读取的数据是原始数据。原始数据是宝贵的实验资料，要如实记录、妥善保存。
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表2 手拉纸带在几个时刻的瞬时速度 |
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位置 |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
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t / s |
0 |
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v / m·s-1 |
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通过表2可以看出手拉纸带运动速度的变化情况。
用图象表示速度
许多变化过程，如气温的变化、物价的跌涨、传染病发病人数的增减……可以用图象展示，目的是更直观地反映变化的规律。图象是表示变化规律的好方法。
物体运动的速度与时间的关系也可以用图象描述。以速度v为纵轴、时间t为横轴在方格纸上建立直角坐标系，根据表2中的v、t数据，在坐标系中描点。图1.4-6甲是根据某同学的实测数据所描的点，从这些点的走向能够大致看出纸带速度的变化规律。为了更清晰些，可以用折线把这些点连起来（图1.4-6乙）。然而，速度的实际变化总是比较平滑的，所以，如果用一条平滑曲线来“拟合”坐标系中描出的点，曲线反映的规律会与实际情况更接近（图1.4-6丙）。
在作曲线“拟合”坐标系中的点时，要注意“顺势”“平滑”。如果有些点难以落在曲线上，应该使它们大致均匀地分布在曲线两侧。为了使拟合曲线能较好地反映客观律，根据实验数据作出的点不能太少，至少要有5、6个。
如图1.4-6丙那样描述速度v与时间t关系的图象，叫做速度-时间图象或v-t图象（v-t graph）。
看一看你得到的v-t图象，你的手的运动速度是怎样变化的？
说一说
百米赛跑时运动员的速度从始至终不变吗？如果有变化，你估计是怎样变化的？某位运动员百米赛跑的成绩是10.57 s，按照你的估计画出他在这段时间的v-t图象的草图。
如果是没有受过训练的同学跑百米，他的v-t图象的形状可能有什么不同？
做一做
借助传感器用计算机测速度
随着信息技术的发展，中学物理的实验手段也在不断进步。用“运动传感器”把物体在木板上或导轨上运动的位移、时间转换成电信号，经过计算机的运算，可以立刻在荧光屏上显示物体运动的速度，甚至能在几秒内自动绘出运动的v-t图象。这样，同学们就可以减少重复性操作，用更多的时间和精力对物理过程进行分析。
图1.4-7是一种运动传感器的原理图。这个系统由A、B两个小盒子组成，A盒装有红外线发射器和超声波发射器，B盒装有红外线接收器和超声波接收器。A盒固定在被测的运动物体上，B盒固定在桌面上或滑轨上。测量时A向B同时发射一个红外线脉冲和一个超声波脉冲（即持续时间很短的一束红外线和一束超声波），B盒收到红外线脉冲时，开始计时，收到超声波脉冲时计时停止。根据两者的时差和空气中的声速，计算机自动算出A与B的距离（红外线的传播时间可以忽略）。雷雨时可以根据闪电与雷声的时差来估算雷电发生地的远近，与这里计算A、B间距离的道理是一样的。
经过短暂的时间∆t后，传感器和计算机系统自动进行第二次测量，得到物体的新位置。算出两个位置差，即物体运功的位移∆x，系统按照v＝
这样测出的速度是A盒在时间间隔∆t中的平均速度。然而∆t很短，通常设置为0.02s，所以
还有另外一种运动传感器。如图1.4-9，这个系统只有一个不动的小盒B。工作时小盒B向被测物体发出短暂的超声波脉冲，脉冲被运动物体反射后又被B盒接收。根据发射与接收超声波脉冲的时间差可以得到B盒与运动物体的距离。这个道理与雷达测距的道理一样。
有条件的学校应该试一试。
科学漫步
气垫导轨和数字计时器
研究物体的运动时，除了使用打点计时器计时外，也可以使用数字计时器。
数字计时器常与气垫导轨配合使用（图1.4-10）。气垫导轨上有很多小孔，气泵送来的压缩空气从小孔喷出，使得滑块与导轨之间有一层薄薄的空气，两者不会直接接触。这样，滑块运动时受到的阻力很小，实验的精确度能大大提高。
计时系统的工作要借助于光源和光敏管（统称光电门，图1.4-11）。光源与光敏管相对，它射出的光使光敏管感光。当滑块经过时，其上的遮光条把光遮住，与光敏管相连的电子电路自动记录遮光时间的长短，通过数码屏显示出来。根据遮光条的宽度和遮光时间，可以算出滑块经过时的速度。因为这样的计时系统可以测出0.001 s的时间，并且能直接以数字显示，所以又叫数字毫秒计。
这样测出的速度是不是瞬时速度？说出你的道理。
问题与练习
1．对比电磁打点计时器和电火花计时器，你认为哪一种可能引起较大的误差？为什么？
2．把纸带的下端固定在重物上，上端用手提着，纸带穿过打点计时器。接通电源后将纸带释放，重物便拉着纸带下落，纸带被打出一系列点，其中有一段如图1.4-12所示。
（1）图1.4-12所示的纸带，哪端与重物相连？
（2）怎样计算纸带上打A点时重物的瞬时速度？说出你的道理。
3．图1.4-13是甲、乙两个物体运动的v-t图象，至少从以下三个方面分别说明它们的速度是怎样变化的。
（1）物体是从静止开始运动还是具有一定的初速度？
（2）速度的大小是否变化？是加速还是减速？
（3）运动的方向是否变化？
4．你的左手拿一块表，右手拿一支彩色画笔。你的同伴牵动一条宽约1cm的长纸带，使纸带在你的笔下沿着直线向前移动。每隔1s你用画笔在纸带上点一个点。你还可以练习在1s内均匀地点上两个点。这样，就做成了一台简单的“打点计时器”（图1.4-14）。想一想，相邻两点的距离跟牵动纸带的速度有什么关系？牵动纸带的快慢不均匀，对相邻两点所表示的时间有没有影响？
发布时间：2015/9/24 下午10:06:43 阅读次数：3365
