細究21051軌道打點式小車的打點原理

黎 明 汪永根

(余姚市夢麟中學 浙江 寧波 315400)

1 學生實驗出現疑問

2018年，筆者所在的學校引入了一些新的實驗裝置，其中就有21051軌道式打點小車，該儀器的結構如圖1所示，因此，在上“探究加速度與力、質量的關系”這節實驗課時，筆者就啟用了這套實驗儀器．在上課過程中，由于一個小組的不規范操作，在驗證摩擦力是否平衡好時，打出了一條別樣的紙帶．如圖2所示，點跡稀稀拉拉，漏點嚴重，并且點跡顏色也比較淡．課后，筆者對學生得到的這條別樣的紙帶很是好奇，并進行了深入的研究．(注：筆者之后研究的點跡都是小車做勻速直線運動時打出的．)

圖1 21051軌道式打點小車的結構

2 學生操作還原點跡

筆者課后仔細地了解學生的操作過程，并將學生的操作過程簡化為如圖3所示，小車底部的放電針接高壓脈沖的負極，軌道上的銀白色金屬板接高壓脈沖的正極，金屬板的上方放置黑色墨粉紙，墨粉紙上方再放置白色紙帶．這樣接通電源，釋放小車就會得到如圖2所示的點跡．

圖3 學生操作過程簡化示意圖

3 集思廣益大膽假設

筆者與本校的物理教師交流并收集了一系列資料，大膽猜想之所以出現圖2所示的點跡，原因有以下3點.

(1)放電針接負極，金屬板接正極時，空氣的電離不僅發生在放電針附近，同時金屬板上由于粗糙不平而使電場局部集中的地方也會發生空氣的電離，即在金屬板粗糙不平區域產生相迎流注，兩個地方的空氣電離不斷發展，直到最后相遇完成主放電[3]．因此金屬板的粗糙不平對放電產生重大影響，在實驗中筆者曾多次觀察到火花放電是在放電針和金屬板邊緣的粗糙不平區域完成的，火花放電并沒有經過墨粉紙和紙帶所在的區域，因此無法在紙帶上留下點跡，這是造成漏點的主要原因．

(2)由于墨粉紙在下面紙帶在上面，紙帶上的點跡是靠墨粉紙與金屬板所夾區域的空氣電離，正離子向上運動經過墨粉紙后使墨粉顆粒帶正電，高溫熔化后帶正電的墨粉顆粒在電場力的作用下向上運動到達紙帶，從而在紙帶上留下點跡．這種打點方式主要是靠墨粉紙和金屬板所夾區域的空氣電離，這個區域的空氣電離主要是依靠金屬板粗糙不平而使電場局部集中產生的，而金屬板上粗糙不平的位置相對不固定，因此打出的點跡不平直，跳躍幅度較大．

(3)金屬板粗糙不平處的電場強度相對于放電針附近的電場強度較小[3]，導致作用在墨粉紙上的電場力也相對較小，能夠帶動的墨粉量就比較少，因此打出的點跡也相對較淡．

4 巧設實驗驗證猜想

為了驗證猜想，筆者設計了以下兩個實驗.

實驗一如圖4所示，小車底部的放電針接負極，金屬板接正極，將紙帶放在金屬板的上方，而墨粉紙放在紙帶的上方．此時由于墨粉紙在上，紙帶在下，需要放電針與墨粉紙之間的空氣電離，產生的負電荷在電場的作用下向下運動到達墨粉紙上，使高溫熔化的墨粉顆粒帶負電，并在電場力的作用下繼續向下運動到達紙帶，在紙帶上留下點跡．這種打點方式主要依靠放電針與墨粉紙之間的空氣電離，這塊區域的電離基本不受金屬板粗糙不平處電場的影響，所以打出的點如圖5所示點跡跳躍幅度較小，并且基本不漏點．

圖4 實驗一示意圖

實驗二如圖6所示，小車底部的放電針接正極，金屬板接負極，金屬板上方放置墨粉紙，墨粉紙上方放置紙帶．當放電針接正極，金屬板接負極時，放電針附近的強電場將空氣電離，電子迅速跑向放電針，而正離子因為質量比電子大得多，移動緩慢，所以正離子大量聚集．而在正離子聚集區的強電場又將下方空氣電離，同理在下方區域又有大量正離子聚集，周而復始，正離子不斷向下方區域推進，最后與金屬板接觸產生火花放電，因此這種接法放電針與金屬板之間的放電通道是豎直的，基本不偏[3]，所以這種接法打出的點跡如圖7所示，基本不漏點且點跡基本保持平直．另外正離子聚集區下方的電場強度也相對圖2情況較大，墨粉紙與金屬板附近空氣電離后的負電荷通過墨粉紙向上運動時能夠帶動的墨粉量較多，因此打出的點跡也相對于圖2較濃．

圖6 實驗二示意圖

圖7 實驗二中打出的紙帶

通過以上兩個實驗的多次驗證，點跡的效果均要好于圖1所示的點跡，基本不再漏點，點跡也基本保持平直，并且點跡的顏色也相對較濃，因此可以證明筆者的猜想是正確的．

5 應用結論優化實驗

上述兩個實驗都對圖2的方案進行了一定的改良，也不同程度地提高了點跡的效果，既然如此，不妨將兩種改良方式結合起來，是否點跡效果會更好呢？

筆者又設計了如圖8所示的接法，將小車底部的放電針接正極，金屬板接負極，將紙帶放在金屬板上方，墨粉紙放在紙帶的上方．這種接法的優點在于：

(1)消除了金屬板粗糙不平處的影響，從而消除了漏點．

(2)當放電針附近空氣電離后正離子不斷向下推進時，正離子聚集區的電場強度是非常大的，當正離子聚集區經過墨粉紙后，由于電場強度非常大，能夠帶動的墨粉量較多，因此打出的點跡如圖8所示，是這幾種情況中最濃的．

(3)這種接法的放電針和金屬板之間的放電通道是豎直的，也消除了點跡跳躍的缺點．經過多次實驗之后，點跡基本如圖9所示，對比之前的幾條紙帶，可以看到圖9所示的紙帶點跡相對最濃，而且完全不漏點且點跡跳躍幅度較小．

圖8 改良后的實驗示意圖

綜上所述，用電火花計時器的高壓脈沖輸出和墨粉紙在紙帶上打點時，高壓脈沖正極要接在放電針上，墨粉紙要靠近放電針，這樣才能得到最好的點跡效果．目前筆者通過改造電火花計時器的電源模塊，使它能在熱敏紙上打出點跡，不需要再使用墨粉紙帶，打點效果更好．

通過上述研究，筆者不僅弄清楚了21051軌道打點式小車的打點原理，而且還優化了實驗方案，使學生在處理實際的紙帶問題時不會因為漏點或點跡不清得到錯誤的結論．

6 結束語

21051軌道打點式小車是一套全新的儀器，相對于傳統的木板小車和打點計時器的組合，21051軌道打點式小車有著它的優點，但同時也存在著問題，只有不斷地研究才能發現問題，才能優化實驗效果，才能跟上新時代學生的學習需求．