熱敏感應式打點計時小車

陸娟芳

(余姚市夢麟中學 浙江 寧波 315400)

1 設計背景

高中物理實驗中的打點計時器，從電磁打點計時器到目前普遍在用的電火花打點計時器，已經有很長時間了．而這期間，打印技術則從“鋼琴式”打印、噴墨打印、激光打印發展到3D打印，有必要對當前的電火花打點計時器進行優化和改進．更何況，用目前的實驗方法，小車后面拖著一條長長的紙帶，不僅實驗操作麻煩，而且紙帶與電火花打點計時器限位孔之間的摩擦阻力，會增大實驗誤差，甚至是實驗失敗的最主要原因．

2 設計的思路及成品效果展示

2.1 已有的成品

將紙帶鋪在軌道上，從現今在用的電火花計時器取出高壓(圖1)．這種實驗裝置目前在網上已經有賣，筆者因早就有對該實驗裝置進行改良的想法，立即買了一套來試．但結果令人大失所望．實驗打點如圖2所示．雖然這套裝置在實驗時可以完全消除紙帶與限位孔之間的摩擦力，但紙帶上的點跡出現了“跳躍”、“過粗”、“模糊”這些現象，根本無法進行數據處理．

圖1 實驗裝置

圖2 打點后的紙帶

分析產生這種狀況的原因，傳統的電火花打點計時器是高壓在兩枚放電針與墨粉紙帶之間的放電，將墨粉留在紙帶上，從而得到較清晰的點跡．而網上買來的這套裝置，高壓的一端是放電針，但另一端是一塊金屬長條，放電針與金屬長條之間又隔著墨粉紙帶與白紙．這樣的裝置中，墨粉紙帶上墨粉涂層的不均勻性，或底下金屬長條的加工不光滑等因素，都會造成點跡前后左右不規則的跳躍，模糊，導致點跡也變粗，變淡．即使這套裝置偶爾能打出可以進行數據處理的點，但它的耗材——墨粉紙條的成本太高．以一個年級12個班級的規模計算，做一次學生實驗就需要近千元的耗材費，一般的學校很難承擔．

2.2 巧妙設計

用熱敏紙帶取代墨粉紙和傳統的紙帶，改良供電模塊和軌道(圖3)．由于直接從傳統的電火花計時器取出高壓，功率較小，不能在熱敏紙帶上留下點跡．為了解決這個問題，可采用如下巧妙設計：

(1)改造放電模塊，繼續保持放電高壓在30 kV以上，適當增大放電電流和功率；

(2)改造軌道，一側的軌道改成金屬材質的導電軌道，并通過小車的金屬輪子直接導電；

(3)電源模塊內部加裝安全保護裝置，使放電或者在小車底部放電極與軌道上的金屬長條之間放電，或者在電源模塊內部放電．

圖3 改良后的實驗裝置

這樣設計保證了在實驗操作時的安全．通過這樣的設計，把本來在兩邊均放電改成只在小車底部放電極與下面金屬長條之間放電，相當于擊穿空氣的模塊功率比改造前的兩邊放電增大了一倍，足以在熱敏紙感應在紙上留下清晰的而且很細小的點跡．由于熱敏紙感應留跡利用的是空氣電離時產生的高溫，而這高溫區域又局限在放電針負極很小的區域內，所以保證了點跡不出現前后左右的跳躍，打點效果如圖4所示．

圖4 改良后打點的紙帶

值得一提的是，這樣的設計既保留了傳統打點計時器的基本原理，又達到了比傳統打點計時器更好的效果．而且本實驗設計不需要用到成本昂貴的墨粉紙條，由于熱敏紙是目前在各種打印設備上普遍在用的材料，所以它的費用比目前實驗室在用的電火花打點計時器紙盤更便宜，大約只有傳統電火花打點計時器紙盤價格的四分之一，這大大降低了實驗的耗材費用．

3 實際課堂教學效果檢驗

我們采用學生分組對比實驗，分別用傳統的車拖紙帶式電火花打點計時器軌道小車，氣墊導軌結合數字計時器和光電門，及文中介紹的熱敏感應式打點計時小車，做“探究加速度與力、質量的關系”實驗．從實驗結果來看，學生用熱敏式打點計時小車速度最快，完成整個實驗平均只需12 min．從實驗的精確程度來看，熱敏感應式打點計時小車與用氣墊導軌做實驗差不多．而傳統的車拖紙帶式方法，由于更換紙帶麻煩，學生實驗占用時間多，加之前面所述紙帶與限位孔之間的阻力是個不可控因素，實驗的誤差大，導致學生很難在一堂課上完成實驗的測量和數據處理．而利用熱敏感應式打點小車進行實驗，節約了學生實驗操作的時間，大幅提高課堂效率．以下是學生在實驗時的一組數據記錄(表1和表2)及處理結果(圖5和圖6)．

表1探究加速度與力的關系

小車質量M=372.5 g

次數砝碼盤和砝碼的總質量m/g小車所受合力F/N相鄰計數點間的位移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探究加速度與質量的關系

砝碼盤和砝碼的總質量m=15.7 g

次數小車及車內鉤碼總質量M/g1M/kg-1相鄰計數點間的位移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

圖5 a-F圖線

圖6 a-圖線

4 未來的展望

進一步改良供電模塊，使小車成為真正意義上的打點計時小車．經過前面的巧妙設計，實驗效果已經非常理想了，但還需要用到220 V交流供電．接下去筆者打算采用鋰電池供電，直接將放電模塊裝在小車內，使小車成為“會打點計時的小車”，實際上就是將打點計時器和小車整合在了一起，這樣做的好處是軌道不用改裝了，只要用一般的鋁合金軌道就行．甚至我們可以在實驗桌上放一張導電紙，放上熱敏紙帶，小車開過就能在熱敏紙帶上留下點跡．如果是金屬桌面(如教師的講臺)，只要直接放上熱敏紙就可以了．再將小車輪子改成金屬萬向輪，還可以用這輛打點計時小車來演示物體做曲線運動的條件和曲線運動的方向等實驗．如再增加一個給鋰電池充電的模塊，使用將更加方便．