打点计时器的一点教学思考

尹西会

【摘要】电磁打点计时器和电火花计时器是高中物理实验中经常用到的计时仪器，但在某些高中教学实验中学生不能正确规范操作，存在一定的误区。本文主要从理解两种打点计时器工作原理的前提下来探究匀变速直线运动，并掌握在实际问题中计算匀变速直线运动物体的速度和加速度的常用方法。目的是使学生较为深入地学习物理实验的有关理论、方法和技能；进一步提高学生的实验素养，激发学生实验探究的兴趣；增强现代学生的创新意识；培养学生实事求是、严谨认真的科学态度；养成交流与合作的良好习惯；发展学生的实践能力。

【关键词】计时器 探究 匀变速直线运动 速度 加速度

【中图分类号】G632 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）03-0201-02

物理新课标将实验探究列入课程目标、内容标准和实施建议之中。物理实验在教学中得到了更多的重视和加强，学生的探究能力、操作技能都有了新提高。近几年各省市高考理科综合卷更加重视对物理实验原理、实验器材、实验步骤的考查，本文浅析利用两种计时器来探究匀变速直线运动，以此来体现高考对考生实验探究能力、创新能力和迁移能力的考查。

每每领学生到实验室做物理实验本人就头疼，今年轮到教高一，又到了做物理实验的时候，学生入高中以来的几个重要实验几乎都用到用两种打点计时器，回想以前上物理实验课情景，笔者在上面讲，学生在下面无动于衷，笔者苦口婆心的讲，还要三番几次的停下维持实验秩序，而学生的实验效果却不明显。事后坐下来反思，究其原因是学生对实验原理、数据处理、实验步骤、注意事项等问题理解不深不透不细，从而阻断深入探究的思维能力。下面笔者就上述几个问题加以澄清：

首先我们来明确两种打点计时器的工作原理。

电磁打点计时器：

1.构造：如图所示

2.工作原理：电磁打点计时器是一种使用低压交流电源的计时仪器，工作电压在6V以下。通电以前，把纸带穿过限位孔，再把套在轴上的复写纸压在纸带的上面。接通电源后，在线圈和永久磁铁的作用下，振片便振动起来，位于振片一端的振针就跟着上下振动，其振动周期与线圈中的电流变化的周期一致。当电源的频率是50Hz时，它每隔0.02S打一个点。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，我们便可以了解物体的运动情况。

电火花计时器：

1.构造：如图所示

2.工作原理：电火花计时器是利用火花放电在纸带上打出小孔而显示出点迹的计时仪器。使用时，墨粉纸盘套在纸盘轴上，并夹在两条白纸带之间。当接通220V的交流电源，按下脉冲输出开关时，计时器发出的脉冲电流经接正极的放电针、墨粉纸盘到接负极的纸盘轴，产生火花放电，于是在运动的纸带1上就打出一行点迹。当电源频率是50Hz时，每隔0.02S打一个点。

电火花计时器比电磁打点计时器更精确，实验误差小。两种打点计时器在实验中的作用是相同的，在以后叙述中不再区分。

那如何来探究匀变速直线运动呢？笔者提供两种常用方法：

1.逐差法：

2.图像法：

由数据 x1、x2、x3、x4……xn ，打点计时器打点的周期为T，根据公式求出相应的速度 v1、v2、v3、v4……vn的值，然后描点作出v-t 图像，则得到的倾斜直线的斜率等于物体运动的加速度值。

下面我们来熟悉具体的实验操作方法。

1.把一端附有定滑轮的长木板平放在实验桌上，并使滑轮伸出桌面，把打点计时器固定在长木板上没有滑轮的一端，将打点计时器与学生电源相连，如图所示。

2.用一条细绳拴在小车上，细绳跨过滑轮，并在细绳的另一端挂上合适的钩码，放手后小车能在长木板上平稳的加速滑行一段距离。把纸带穿过打点计时器，并把它的一端固定在小车的后面。

3.把小车停在靠近打点计时器处，先接通电源，再放开小车，让小车带动纸带运动，打点计时器就在纸带上打下一系列的点，关闭电源，取下纸带，换上新纸带，重复实验多次。

4.从几条纸带中选择一条比较理想的纸带，舍掉开始一些比较密集的点，在后面便于测量的地方找一个开始点，以后依次每五个点取一个计数点，并标明A、B、C、D……，如图所示，用刻度尺测出A到O、B到O、C到O…之间的距离，再通过计算求出O到A 、A到B、B到C……之间的距离x1、x2、x3….

在上述操作进程中，笔者以为需要注意以下几个问题：

1.同学们要是第一次使用打点计时器，操作前一定要认真阅读课本或老师准备的实验器材说明卡，结合实物弄清它的结构、各部分的功能、使用注意问题。

2.长木板应当稳固倾斜，倾斜的角度应使纸带上打出足够多的清晰点；固定打点计时器时要注意：将打点计时器纸带限位器与长木板纵轴位置对齐，使纸带、小车拉线和定滑轮在一条直线上。

3.若使用电磁打点计时器，应会用复写纸调节片。安装复写纸时，先将复写纸调节片向外拉出，将复写纸圆片孔套在复写纸定位销上，向里推调节片，可调节复写纸位置。如果发现振针打不出点，要注意调节振针的高度。纸带打完后立即切断电源。若使用电火花计时器，墨粉纸盘套在纸盘轴上，有墨粉的一面朝下。如果发现有频率选择开关，可以选择50Hz挡。纸带打完后立即切断电源。

4.先接通电源使打点计时器稳定工作后，再释放纸带。

5.测量纸带等时段位移时，盡量用长尺一次测完。

6.选取计数点时，应舍掉开头部分密集的点和末端部分位移间隔已经减小的点，仅选取位移间隔均匀增加的中间部分。

7.注意区分计时点间的时间间隔与计数点间的时间间隔。

8.作速度-时间图像要选择合适的标度，使图分布在坐标纸的大部分区域。连线时应使尽量多的点在一条直线上，不在直线上的点尽量落在图线的两侧。

近10年高考题中涉及打点计时器的题目很多，笔者举几例说明。

例如：（2006年·重庆理综）某同学用如图所示装置测量重力加速度g，所用交流电频率为50Hz.在所选纸带上取某点为0号计数点，然后每3个点取一个计数点，所有测量数据及其标记符号如下图所示.

从数据处理方法看，在S1、S2、S3、S4、S5、S6中，对实验结果起作用的，方法A中有__________；方法B中有_________.因此，选择方法______（A或B）更合理，这样可以减少实验的________（系统或偶然）误差.本实验误差的主要来源有________（试举出两条）.

【答案】S1，S6或37.5，193.5；S1，S2，S3，S4，S5，S6或37.5，69.0，100.5，131.5，163.0，193.5；B；偶然；阻力[空气阻力，振针的阻力，限位孔的阻力，复写纸的阻力等]，交流电频率波动，长度测量，数据处理方法等.

这样，全部数据对实验结果都起作用，可以减少数据测量带来的偶然误差.因此，选择方法B更合理.本实验误差的主要来源于各种阻力、交流电频率波动等系统误差，长度测量等偶然误差以及数据处理方法不当等.

再比如：（山东2012高考理综题）21题：（1）某同学利用图甲所示德 实验装置，探究物块在水平桌面上的运动规律。物 块在重物的牵引下开始运动，重物落地后，物块再运动一段距离停在桌面上（尚未到达滑轮处）。从纸带上便于测量的点开始，每5个点取1个计数点，相邻计数点间的距离如图议所示。打点计时器电源的频率为50Hz。

①通过分析纸带数据，可判断物块在相邻计数点 _________和_________之间某时刻开始减速。

②计数点5对应的速度大小为_________ m/s，计数点6对应的速度大小为_________m/s。（保留三位有效数字）。

③物块减速运动过程中加速度的大小为a =_________m/s2，若用 来计算物块与桌面间的动摩擦因数（g为重力加速度），则计算结果比动摩擦因数的真实值 _________（填“偏大”或“偏小”）。

【答案】：21.（1）①6；7【或7；6】②1.00；1.20③2.00；偏大

解析：（1）①由紙带上各点间距可以看出，6、7两点间距离最大，在计数点6之前，连续相等的时间内位移差Vx=2.00cm，而6、7两计数点间位移与前一段位移之差Vx=x67-x56<2.00cm 。故物体在两相邻计数点6和7之间开始减速。

由此可见，近几年各省市高考理科综合卷更加重视对物理实验原理、实验数据处理的考查，对考生实验探究能力、实验迁移能力的考查也有所提高。因此我们一线教师应重视和加强物理实验教学。