运动合成演示实验的改进——用打点计时器演示运动合成

周保健

(邳州市官湖高级中学 江苏 邳州 221321)

人教课标版物理教材《必修2》第 4页运动合成演示实验：用的是红蜡块在玻璃管中匀速上升，然后用手拿着玻璃管使其在水平方向上匀速运动.本实验在实际教学演示过程中效果较差，主要原因：

(1)在观察上学生无法直观判断小蜡块在玻璃管中是否匀速上升；

(2)在操作上手动很难做到在水平方向匀速运动；

(3)即使以上两条都做到了，学生也不能直观定量判断小球的合运动就是匀速直线运动.

笔者在教学过程中采用电火花计时器打点的原理，描绘出合运动的轨迹，并用其计时功能，定量计算出合速度与分速度的关系.

1 电火花计时器工作原理

图1为目前在普通高中推广使用的J01207型电火花计时器的电路原理图.开关S接通后，220 V交流电正半周通过二极管D1、D4和限流电阻R1，对电容器C1充电；交流电负半周通过二极管D2、D3和限流电阻R2及稳压管D5.当稳压管上电压达到稳定值10 V时，晶闸管被触发.此时在交流电正半周加在电容器上的电压通过变压器T初级线圈，二极管D8，晶闸管D6放电，于是在变压器T次级线圈产生高达30 kV的脉冲电压，这样交流电每一周放电一次，脉冲电流经过接正极的放电针、墨粉纸盘，到接负极的纸盘轴上产生火花放电，于是在运动的纸带上就打出一系列的点迹.当电源频率是50 Hz时，每隔0.02 s打点一次.电火花计时器上有正脉冲输出插座(红色)和负脉冲输出插座(黑色)，输出的高压使电火花放电间隙可达1 cm以上，下面的实验就利用了计时器这对扩展插座.

图1

2 运动合成演示实验

2.1 实验器材

慢速电机2个，自制水平铝合金框架(内含凹槽滑轨)，金属滑轮4个，细直铁丝2根，铝金属面板60 cm×60 cm,电火花打点计时器，多孔插座1个，导线若干.

2.2 实验组件的制作与装配

(1)铝合金框架的制作

用两细铁管支柱和铝合金组合制成高60 cm，长120 cm的水平铝合金框架，框架上下内侧装有对称凹槽滑轨，如图2所示.

(2)放电针的制作

把铜导线一端打磨成针尖，剪取4 cm左右作放电针；把胶皮导线和放电针焊接在一起；胶皮导线的另一端焊接一只鳄鱼夹，便于实验时连接电火花计时器的高压正极脉冲输出端.为了防止放电针在运动过程中晃动，把它插入到一泡沫滑块中.

图2

(3)滑块的制作

取家用电器包装箱内减震作用的硬泡沫一小块，在其上下表面分别再加一片硬塑料，中间用细软绳扎紧.再取2根细直铁丝穿过硬泡沫.

(4)底板的制作

把长60 cm、宽60 cm、厚5 mm的铝板固定在铝合金压条框内，并在框的上下两面对称地各装2个金属滑轮.金属滑轮与铝合金框架就作为高压端负极，与打点计时器高压负极脉冲输出端连接.将实验室所用的电火花计时器整张碳粉纸贴在60 cm×60 cm的白纸上.

(5)实验组件的装配

将制作好的放电针水平插入到滑块里，再将穿过滑块的两根铁丝分别固定在铝合金框架的上下表面.注意固定时应使两铁丝尽量保持竖直且呈拉直状态.将制作好的底板放入金属框架凹槽滑轨中，用手轻推，以底板能够自由滑动较远距离为好；将慢速电动机A固定在铝合金框架的右下端，使电机轴线与固定在底板下方的挂钩在同一水平线上；然后用细绳通过电机轴和挂钩绕在一起，将另一个慢速电机B固定在铝合金框架的上端，使电机轴线正好在穿过滑块的两根铁丝的中间；然后用细绳通过电机轴和滑块连接在一起，且使细绳尽量与底板、直铁丝平行.装备好的实验装置平视图如图3所示.

图3

2.3 实验过程

首先使铝板移到装置的最左端，同时打开电机A和打点计时器，(把电机A与打点计时器同时插入多孔插座上，打开多孔插座开关即可同时打开.)在纸面上就会出现如图4的图线；然后把铝板再移到最左端，拿开A电机电源，使B电机与打点计时器插入多孔插座上，并同时打开，在纸面上将会出现如图的图线；最后再把铝板移到最左端，同时把电机A、B和打点计时器同时插到多孔插座上，并打开多孔插座的开关，在纸面上出现如图6的直线.学生对比水平、竖直与合运动的图线，很直观并能定量计算出合运动与分运动位移、速度关系.

图4 图5 图6

本实验装置还能描绘出类平抛运动的规律、两个匀加速运动的合运动的规律.类平抛运动的规律，只需把实验装置中的右下端A电机拿下，并在此位置装上一个定滑轮，并使定滑轮伸出框架外侧，且细绳一端连接底板挂钩而后绕过滑轮，细绳与滑轨平行.另一端连接一重物(如钩码)，则释放重物的同时打开电机B与打点计时器，就实现水平方向匀加速、竖直方向匀速运动的轨迹图像.