打点计时器是高中阶段研究物体运动的神器,在许多重要实验中都有应用,比如:测匀变速直线运动的加速度,测重力加速度,探究加速度与力和质量的关系,验证机械能守恒定律,验证动能定理,甚至还有验证动量守恒定律。
打点计时器打出的纸带的数据处理也基本上是每次考试的必考内容,所以深入理解打点计时器的原理、熟悉其使用方法、灵活掌握纸带数据处理方法是很有必要的。
一、打点计时器的结构
1、电磁打点计时器
电磁打点计时器实物图(图片来源:教材)
电磁打点计时器示意图(图片来源:教材)
2、电火花打点计时器
电火花打点计时器示意图(图片来源:教材)
电火花打点计时器局部放大图(图片来源:网络)
这里我们以电火花打点计时器为例进行拆解介绍。
电火花打点计时器拆解(来源:黄峰)
二、打点计时器的原理
两种打点计时器的基本原理都是:在交流电的驱动下,按照交流电的周期在纸带上打下点迹,记录物体在不同时刻对应的位置。二者也有区别:
1、电磁打点计时器(阻力大)
当给电磁打点计时器的线圈通上4~6V的交流电后,线圈产生磁场,线圈中的振片被磁化,振片在永久磁铁磁场的作用下向上或向下运动,由于交流电的方向每个周期要变化两次,因此振片被磁化后的磁极要发生周期性变化,永久磁铁对它的作用力的方向也要发生周期性变化,在交流电的一个周期内打点一次。电磁打点计时器工作时的阻力相对电火花打点计时器而言较大。
2、电火花打点计时器(阻力小,更常用)
给电火花打点计时器接220V电源,计时器产生脉冲电流,在变压器副线圈中产生瞬时高压(高达几万伏)打点计时器测速度实验视频,在接负极的放电针和接正极的墨粉纸盘(可导电)之间,产生火花放电,将黑粉打下,于是在纸带上留下一系列的点迹。在交流电的每个周期放电一次,因此电火花打点计时器打出点间的时间间隔等于交流电的周期,当电源频率为50Hz时,它每隔0.02s打一次点。
电火花打点计时器内部原理图(图片来源:网络)
以下视频先通过慢放镜头展示了电火花打点计时器的工作过程,然后将打点计时器与秒表对照拍摄,验证打点周期接近0.02s,最后将正负脉冲输出展示。
慢镜头下的电火花打点计时器(来源:黄峰)
三、打点计时器的使用方法
这里以现在普遍使用的电火花打点计时器为例来说明打点计时器的使用方法。
1、安装墨粉纸盘
2、穿纸带
3、通电源
4、拉纸带
5、关闭电源
电火花打点计时器的使用(来源:黄峰)
四、纸带数据处理方法
1、判断运动性质
(1)匀速运动:点迹间距相等
(2)变速运动:点迹间距不等
(3)匀变速运动:任意连续相邻两个点之间的长度差(在误差允许范围内)为一定值
2、计算纸带上某点的瞬时速度
纸带上某点的瞬时速度一般用与这点相邻的两个点间的平均速度来代替。由于匀变速直线运动中间时刻瞬时速度等于这一段时间的平均速度打点计时器测速度实验视频,这种方法对于匀变速直线运动来说是没有系统误差的。
3、计算加速度
(1)图像法
先每隔相等的时间取一系列计数点;量出各计数点间的距离;用平均速度的方法求出各计数点的瞬时速度;然后通过描点作图法作出v-t图;v-t图像的斜率即为加速度大小。
(2)逐差法
先每隔相等的时间取一系列计数点;量出各计数点间的距离;取最大的偶数段纸带(若是奇数段则舍去最短的一段)分为前后两大段;然后用公式计算出加速度的大小。
一般标准6段纸带的公式写为
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