老儀器 新用途

摘 要 介紹電磁打點計時器的新的實驗方案，用來演示受迫振動和共振現象，演示波的傳播、干涉、衍射和駐波等實驗現象；還介紹利用電磁打點計時器制作頻閃光源的簡單方法，使被淘汰的老儀器煥發新的生機。

關鍵詞 電磁打點計時器；頻閃光源；受迫振動；波動

中圖分類號 G633.7 文獻標識碼 A 文章編號 1671-489X（2008）18-0068-02

電磁打點計時器是力學實驗中的常用計時儀器，被廣泛應用于需要同時記錄時空信息的力學實驗中。通過分析處理與運動物體相連的打點紙帶上的數據，可定性分析物體的運動情況，定量計算物體的位移、速度、加速度等物理量，配合使用其他儀器，可用來研究勻變速直線運動，研究勻速圓周運動，驗證牛頓第二定律，驗證機械能守恒定律，驗證動量守恒定律等。然而，近些年，一種新型的電火花計時器逐漸取代中學實驗室中傳統的J0203型電磁打點計時器，造成許多學校大量的電磁打點計時器被閑置。其實，只要稍做改動，就可使被淘汰的電磁打點計時器重新煥發生機。

1 用電磁打點計時器演示振動規律

J0203型打點計時器的外觀（結構）如圖1所示[1]。線圈接上6 V交流電源后，成為一個通電螺線管，產生交變磁場，并使振動片磁化為一個薄的磁性交變的條形磁鐵，振動片因此受到永久磁鐵磁場的交變力作用而做周期性的受迫振動。隨振動片上下振動的振針打在打點基板上，發出清脆恒定的“嗒嗒”聲。顯然，振動片做受迫振動的周期等于線圈所接入的交流電的變化周期。比如接入頻率為50 Hz的市電，則每隔0.02 s振針打一次點，聽到一次“嗒”聲。

為進一步演示物體做受迫振動時的頻率與物體的固有頻率無關及共振現象，可用螺絲刀擰開振動片的固定螺絲，改變振動片橢圓孔與固定螺絲的相對位置，適當調整振動片的長度，從而改變振動片的固有頻率。中學實驗室常見的J0203型電磁打點計時器振動片橢圓孔一般長約12 mm，振動片長度每縮短1 mm，其固有頻率約增加1 Hz[2]。學生會發現，無論怎樣改變振動片的固有頻率，振動片帶動振針打點的聲音間隔總是不變，即受迫振動的頻率與固有頻率無關。同樣，在不改變電源頻率和電壓的情況下，通過改變振動片的長度，振動片的振幅會發生明顯變化，小心調整振動片的長度，可使振動片的振幅達到最大，即實現共振。

有條件的學校還可通過低頻信號發生器給打點計時器供電，改變信號頻率，同樣也能觀察到受迫振動及共振現象。學生通過親自操作實驗裝置，不僅可以了解電磁打點計時器的工作原理，而且能進一步學習受迫振動的相關規律。

2 用電磁打點計時器演示波動規律

電磁打點計時器振針的振動可作為一個穩定的振動源，配合絲線、砝碼、發波水槽等，可直觀演示波的形成和傳

播規律。同傳統的半導體元件構成的多諧振蕩器驅動的振動源相比，電磁打點計時器振針的振動具有頻率穩定可調節、振幅明顯可控制、使用安全、經久耐用等優點。

如圖2所示，把弦線的一端固定在電磁打點計時器的振針上，另一端跨過定滑輪栓一個砝碼盤，盤上放砝碼，將弦線拉平。接通電源，振針振動時，產生一列波向定滑輪一側傳播，并在定滑輪處發生反射。通過調整砝碼的質量來改變弦線的張力，可以看到弦線會分段振動起來，從而形成穩定的駐波。易知，相鄰兩波節間的距離等于半個波長。在弦線長度不變的情況下，弦線張力改變時，駐波的半波數隨之改變，波長相應改變。此實驗可定性說明機械波的傳播速度由介質決定，可定量測量波長，糾正高中生關于波的干涉中振動加強和振動減弱的錯誤理解。大學普通物理中，使用此裝置，還可進一步驗證波長，其中，為波源的振動頻率，為弦線的張力，為弦線單位長度的質量。

如圖3所示，擰開振動片上固定振針的螺母，換上用易拉罐自制的打水叉并擰緊，配合發波水槽和幻燈機，可輕松演示水波的傳播、干涉和衍射現象。有條件的學校還可用低頻信號源給電磁打點計時器供電，通過調整電源頻率和電壓值，可改變水波傳播時的波長，驗證的波的傳播規律，探究發生明顯衍射現象的條件，演示穩定的波的干涉圖樣等。

3 用電磁打點計時器制作頻閃光源

高中物理教材中，在介紹自由落體運動、平拋運動、簡諧運動等的運動規律以及碰撞中的動量守恒等內容時，都使用了頻閃照片。礙于器材限制，中學物理教學過程中，從來沒有拍攝過真正的頻閃照片，學生缺乏對頻閃攝影的感性認識。其實，利用電磁打點計時器，可方便制作簡易的頻閃光源。如圖4所示，將電磁打點計時器的振針和打點基板串接入頻閃光源回路，打點計時器接入低壓交流電源（市電），則每隔0.02 s，光源回路接通一次。光源的頻閃間隔可通過低頻信號源靈活調節。配合照相機等器材，很容易在暗室中拍攝各種運動物體的頻閃照片。

以上介紹的實驗均來自于平時的教學實踐。在充分了解儀器原理和材料性能的基礎上，多考慮現有實驗儀器能否代替其他裝置，能否用于其他實驗，能否設計新的方案，充分挖掘老儀器的實驗潛力，不僅能節約有限的實驗經費，改造傳統的實驗方案，更能培養學生的動手能力和創新精神。

參考文獻

[1]人教社物理室.物理[M].第一冊.北京:人民教育出版社，2003:142-143

[2]陶洪.物理實驗論[M].南寧:廣西教育出版社，1999:95-96