電火花打點計時器用于平拋和自由落體實驗

淦克沖

(寧波中學 浙江 寧波 315100)

1 電火花打點計時器原理

電火花打點計時器是利用火花放電使墨粉在紙上打出墨點而顯出點跡的一種計時儀器.給電火花打點計時器接220 V電源，按下脈沖輸出開關，計時器發出的脈沖電流，經接正極的放電針和墨粉紙盤到接負極的紙盤軸，產生火花放電.于是,在紙帶上打出一系列的點，而且在交流電的每個周期放電一次;因此電火花打點計時器打出點間的時間間隔等于交流電的周期.因電源的頻率為50 Hz，所以兩個放電跡點的時間間隔為20 ms.高壓脈沖也可以由接線柱引出，供電火花描跡儀及其他儀器使用.

2 電火花打點計時器用于平拋運動實驗

2.1 問題提出

平拋運動是高中物理3個基本運動之一.人教社編著的普通高中課程標準實驗教科書《物理·必修2》的第一章第三、四節所選拋體運動實驗，給出平拋運動的軌跡，但對平拋運動過程不能進行定量探究，因此平拋運動規律難以揭示.

2.2 解決方案

改變電火花打點計時器使用時需固定的做法，將電火花打點計時器放電針置于平拋物體上，利用墨粉紙、白紙記錄平拋物體的軌跡.

2.3 制作材料

鐵質黑板1塊，石質球1個(直徑約4 cm)，導軌1個，彈簧槍1支，實驗室用電火花打點計時器1只，大頭針1根，墨粉紙、白紙各1張，電烙鐵，導線若干.

2.4 制作過程

石質球沿直徑方向穿孔，孔徑略粗于導線為宜.電火花打點計時器內部放電導線各自接出，一根與鐵質黑板焊接，一根與大頭針鈍的一端接觸.大頭針穿過石質球孔，固定大頭針于孔口，露出3 mm.導軌水平放置并固定，導軌一端安裝彈簧槍一支.

2.5 實驗裝置如圖1

圖1

2.6 實驗步驟

(1) 鐵質黑板豎直方向固定，板面依次貼墨粉紙、白紙；

(2) 石質球置于水平導軌上，石質球孔成水平，孔軸與黑板垂直，大頭針針尖靠近白紙；

(3) 接通電火花打點計時器電源，用彈簧槍將石質球彈出，待球著地關閉電源.

2.7 實驗結果如圖2

圖2 平拋運動軌跡

2.8 實驗結果分析

第1，2點連線水平，石質球沿水平軌道做水平直線運動.以平拋起始點為坐標原點，建立直角坐標系，水平方向為x軸，豎直方向為y軸.將實驗記錄位置分別向坐標軸進行投影，測量相鄰投影點間距.水平投影點間距相等，起始兩豎直投影點間距為2 mm，其余點豎直間距可計算出加速度為9.8 m/s2.由運動學知識可以得出，誤差允許范圍內，得到該次平拋運動沿水平分運動是勻速運動，沿豎直方向分運動是自由落體運動.

2.9 實驗制作的幾個細節

起初使用直徑約1.5 cm金屬小球與導線連接，讓小球直接火花放電，放電失敗；原因可能是小球表面光滑，放電效果差.改用大頭針焊接在鐵球上，放電效果很明顯；但小球沿斜槽軌道滾下過程受金屬導線的影響很大，運動過程軌跡很容易發生偏離，打點現象不明顯.改用金屬圓柱物，質量加大，沿斜槽軌道滾動，受焊接的導線影響也很明顯，不能很好地打點.改用長方體金屬作為平拋物體，水平直線運動離開桌面時金屬發生翻轉，效果也不佳.使用石質球做平拋物體，石球質量較大，導線的水平阻力可以忽略.為降低導線焊接處扭轉的影響，把導線末端皮層剝去，金屬絲捏成小團，與固定在孔上的大頭針接觸但不焊接.為減小石球滾動受導線的影響，使用彈簧槍對石球進行加速，縮短石球獲得速度的距離，同時也可減少石質球沿水平軌道運動時的轉動.放電針較難準確地固定在石球的轉動軸上，放電針的偏心運動，點跡不能很好地記錄物體做平拋運動的軌跡.

2.10 實驗的優點

利用點跡，通過測量，探究平拋物體運動規律.通過分析點跡投影間距，可以得到平拋運動的豎直分運動加速度大小為當地重力加速度大小，水平分運動是勻速直線運動.

2.11 實驗不足之處

該實驗不能得到平拋物體運動完整的軌跡，放電針裸露在球表面，考慮到安全性，放電針落地后電源要及時關閉.

3 自由落體實驗

3.1 問題提出

使用電火花打點計時器研究物體自由落體運動的規律，通常做法是將電火花打點計時器固定，物體拖著紙帶打點，紙帶上點跡間距與物體運動相反的方向增大，這對學生認識自由落體運動會造成一定障礙.

3.2 解決方案

為使上述平拋運動的石質球做自由落體運動，利用石質球的針尖放電，記錄石質球做自由落體運動的軌跡.

3.3 實驗裝置如圖3

圖3

3.4 實驗步驟

(1) 小黑板豎直方向固定，板面上依次貼墨粉紙、白紙；

(2) 使用細棉線將石質球吊起，放電針是水平方向，與小黑板垂直；

(3) 接通電火花打點計時器電源；

(4) 剪斷細棉線，石質球做自由落體運動；

(5) 待石質球著地關閉電源.

3.5 實驗結果如圖4

圖4 自由落體運動軌跡

3.6 實驗結果分析

實驗得出的軌跡間距與傳統操作方法打出的點間距完全符合.改進的實驗直接記錄石質球在不同時刻的位置，記錄點在不同位置的速度和加速度就是石質球的速度和加速度.實驗測量更簡單，教學更直觀，對學生視覺沖擊力強，能激發學生對自由落體運動速度和加速度測量的興趣，有利于自由落體概念的形成和對學生探究興趣的培養.