热敏感应式打点计时小车

陆娟芳

(余姚市梦麟中学 浙江 宁波 315400)

1 设计背景

高中物理实验中的打点计时器，从电磁打点计时器到目前普遍在用的电火花打点计时器，已经有很长时间了．而这期间，打印技术则从“钢琴式”打印、喷墨打印、激光打印发展到3D打印，有必要对当前的电火花打点计时器进行优化和改进．更何况，用目前的实验方法，小车后面拖着一条长长的纸带，不仅实验操作麻烦，而且纸带与电火花打点计时器限位孔之间的摩擦阻力，会增大实验误差，甚至是实验失败的最主要原因．

2 设计的思路及成品效果展示

2.1 已有的成品

将纸带铺在轨道上，从现今在用的电火花计时器取出高压(图1)．这种实验装置目前在网上已经有卖，笔者因早就有对该实验装置进行改良的想法，立即买了一套来试．但结果令人大失所望．实验打点如图2所示．虽然这套装置在实验时可以完全消除纸带与限位孔之间的摩擦力，但纸带上的点迹出现了“跳跃”、“过粗”、“模糊”这些现象，根本无法进行数据处理．

图1 实验装置

图2 打点后的纸带

分析产生这种状况的原因，传统的电火花打点计时器是高压在两枚放电针与墨粉纸带之间的放电，将墨粉留在纸带上，从而得到较清晰的点迹．而网上买来的这套装置，高压的一端是放电针，但另一端是一块金属长条，放电针与金属长条之间又隔着墨粉纸带与白纸．这样的装置中，墨粉纸带上墨粉涂层的不均匀性，或底下金属长条的加工不光滑等因素，都会造成点迹前后左右不规则的跳跃，模糊，导致点迹也变粗，变淡．即使这套装置偶尔能打出可以进行数据处理的点，但它的耗材——墨粉纸条的成本太高．以一个年级12个班级的规模计算，做一次学生实验就需要近千元的耗材费，一般的学校很难承担．

2.2 巧妙设计

用热敏纸带取代墨粉纸和传统的纸带，改良供电模块和轨道(图3)．由于直接从传统的电火花计时器取出高压，功率较小，不能在热敏纸带上留下点迹．为了解决这个问题，可采用如下巧妙设计：

(1)改造放电模块，继续保持放电高压在30 kV以上，适当增大放电电流和功率；

(2)改造轨道，一侧的轨道改成金属材质的导电轨道，并通过小车的金属轮子直接导电；

(3)电源模块内部加装安全保护装置，使放电或者在小车底部放电极与轨道上的金属长条之间放电，或者在电源模块内部放电．

图3 改良后的实验装置

这样设计保证了在实验操作时的安全．通过这样的设计，把本来在两边均放电改成只在小车底部放电极与下面金属长条之间放电，相当于击穿空气的模块功率比改造前的两边放电增大了一倍，足以在热敏纸感应在纸上留下清晰的而且很细小的点迹．由于热敏纸感应留迹利用的是空气电离时产生的高温，而这高温区域又局限在放电针负极很小的区域内，所以保证了点迹不出现前后左右的跳跃，打点效果如图4所示．

图4 改良后打点的纸带

值得一提的是，这样的设计既保留了传统打点计时器的基本原理，又达到了比传统打点计时器更好的效果．而且本实验设计不需要用到成本昂贵的墨粉纸条，由于热敏纸是目前在各种打印设备上普遍在用的材料，所以它的费用比目前实验室在用的电火花打点计时器纸盘更便宜，大约只有传统电火花打点计时器纸盘价格的四分之一，这大大降低了实验的耗材费用．

3 实际课堂教学效果检验

我们采用学生分组对比实验，分别用传统的车拖纸带式电火花打点计时器轨道小车，气垫导轨结合数字计时器和光电门，及文中介绍的热敏感应式打点计时小车，做“探究加速度与力、质量的关系”实验．从实验结果来看，学生用热敏式打点计时小车速度最快，完成整个实验平均只需12 min．从实验的精确程度来看，热敏感应式打点计时小车与用气垫导轨做实验差不多．而传统的车拖纸带式方法，由于更换纸带麻烦，学生实验占用时间多，加之前面所述纸带与限位孔之间的阻力是个不可控因素，实验的误差大，导致学生很难在一堂课上完成实验的测量和数据处理．而利用热敏感应式打点小车进行实验，节约了学生实验操作的时间，大幅提高课堂效率．以下是学生在实验时的一组数据记录(表1和表2)及处理结果(图5和图6)．

表1探究加速度与力的关系

小车质量M=372.5 g

次数砝码盘和砝码的总质量m/g小车所受合力F/N相邻计数点间的位移x/cm加速度a/(m·s-2)110.20.100x1= 4.00 x2=4.24 x3= 4.40x4=4.63 x5=4.82 x6=5.060.208215.70.154x1=3.48 x2=3.82 x3=4.15x4=4.49 x5=4.81 x6=5.290.349320.70.203x1=5.25 x2=5.65 x3=6.04x4=6.48 x5=6.95 x6=7.460.439425.90.254x1=4.79 x2=5.38 x3=5.89x4=6.48 x5=7.02 x6=7.580.558530.80.302x1=5.41 x2=6.11 x3=6.75x4=7.45 x5=8.10 x6=8.740.669

表2探究加速度与质量的关系

砝码盘和砝码的总质量m=15.7 g

次数小车及车内钩码总质量M/g1M/kg-1相邻计数点间的位移x/cm加速度a/(m·s-2)1221.34.519x1= 4.86 x2=5.47 x3=5.90x4=6.52 x5=7.03 x6=7.620.5492271.73.681x1=4.79 x2=5.20 x3=5.70x4=6.16 x5=6.55 x6=7.000.4473321.83.108x1=4.51 x2=4.89 x3=5.38x4=5.71 x5=6.05 x6=6.450.3814372.52.685x1=4.48 x2=4.82 x3=5.16x4=5.50 x5=5.78 x6=6.100.3245423.32.362x1=4.28 x2=4.58 x3=4.88x4=5.18 x5=5.47 x6=5.710.291

图5 a-F图线

图6 a-图线

4 未来的展望

进一步改良供电模块，使小车成为真正意义上的打点计时小车．经过前面的巧妙设计，实验效果已经非常理想了，但还需要用到220 V交流供电．接下去笔者打算采用锂电池供电，直接将放电模块装在小车内，使小车成为“会打点计时的小车”，实际上就是将打点计时器和小车整合在了一起，这样做的好处是轨道不用改装了，只要用一般的铝合金轨道就行．甚至我们可以在实验桌上放一张导电纸，放上热敏纸带，小车开过就能在热敏纸带上留下点迹．如果是金属桌面(如教师的讲台)，只要直接放上热敏纸就可以了．再将小车轮子改成金属万向轮，还可以用这辆打点计时小车来演示物体做曲线运动的条件和曲线运动的方向等实验．如再增加一个给锂电池充电的模块，使用将更加方便．