打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的一點(diǎn)教學(xué)思考

尹西會

【摘要】電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和電火花計(jì)時(shí)器是高中物理實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常用到的計(jì)時(shí)儀器，但在某些高中教學(xué)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生不能正確規(guī)范操作，存在一定的誤區(qū)。本文主要從理解兩種打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作原理的前提下來探究勻變速直線運(yùn)動，并掌握在實(shí)際問題中計(jì)算勻變速直線運(yùn)動物體的速度和加速度的常用方法。目的是使學(xué)生較為深入地學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)的有關(guān)理論、方法和技能；進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的興趣；增強(qiáng)現(xiàn)代學(xué)生的創(chuàng)新意識；培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度；養(yǎng)成交流與合作的良好習(xí)慣；發(fā)展學(xué)生的實(shí)踐能力。

【關(guān)鍵詞】計(jì)時(shí)器 探究 勻變速直線運(yùn)動 速度 加速度

【中圖分類號】G632 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）03-0201-02

物理新課標(biāo)將實(shí)驗(yàn)探究列入課程目標(biāo)、內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)施建議之中。物理實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中得到了更多的重視和加強(qiáng)，學(xué)生的探究能力、操作技能都有了新提高。近幾年各省市高考理科綜合卷更加重視對物理實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)步驟的考查，本文淺析利用兩種計(jì)時(shí)器來探究勻變速直線運(yùn)動，以此來體現(xiàn)高考對考生實(shí)驗(yàn)探究能力、創(chuàng)新能力和遷移能力的考查。

每每領(lǐng)學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室做物理實(shí)驗(yàn)本人就頭疼，今年輪到教高一，又到了做物理實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，學(xué)生入高中以來的幾個(gè)重要實(shí)驗(yàn)幾乎都用到用兩種打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，回想以前上物理實(shí)驗(yàn)課情景，筆者在上面講，學(xué)生在下面無動于衷，筆者苦口婆心的講，還要三番幾次的停下維持實(shí)驗(yàn)秩序，而學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效果卻不明顯。事后坐下來反思，究其原因是學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理、數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)步驟、注意事項(xiàng)等問題理解不深不透不細(xì)，從而阻斷深入探究的思維能力。下面筆者就上述幾個(gè)問題加以澄清：

首先我們來明確兩種打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的工作原理。

電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器：

1.構(gòu)造：如圖所示

2.工作原理：電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器是一種使用低壓交流電源的計(jì)時(shí)儀器，工作電壓在6V以下。通電以前，把紙帶穿過限位孔，再把套在軸上的復(fù)寫紙壓在紙帶的上面。接通電源后，在線圈和永久磁鐵的作用下，振片便振動起來，位于振片一端的振針就跟著上下振動，其振動周期與線圈中的電流變化的周期一致。當(dāng)電源的頻率是50Hz時(shí)，它每隔0.02S打一個(gè)點(diǎn)。如果紙帶運(yùn)動，振針就通過復(fù)寫紙?jiān)诩垘狭粝乱恍行↑c(diǎn)。如果把紙帶跟運(yùn)動物體連在一起，即由物體帶動紙帶一起運(yùn)動，紙帶上各點(diǎn)之間的距離就表示相應(yīng)時(shí)間間隔中物體的位移。由這些點(diǎn)的位置，我們便可以了解物體的運(yùn)動情況。

電火花計(jì)時(shí)器：

1.構(gòu)造：如圖所示

2.工作原理：電火花計(jì)時(shí)器是利用火花放電在紙帶上打出小孔而顯示出點(diǎn)跡的計(jì)時(shí)儀器。使用時(shí)，墨粉紙盤套在紙盤軸上，并夾在兩條白紙帶之間。當(dāng)接通220V的交流電源，按下脈沖輸出開關(guān)時(shí)，計(jì)時(shí)器發(fā)出的脈沖電流經(jīng)接正極的放電針、墨粉紙盤到接負(fù)極的紙盤軸，產(chǎn)生火花放電，于是在運(yùn)動的紙帶1上就打出一行點(diǎn)跡。當(dāng)電源頻率是50Hz時(shí)，每隔0.02S打一個(gè)點(diǎn)。

電火花計(jì)時(shí)器比電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器更精確，實(shí)驗(yàn)誤差小。兩種打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在實(shí)驗(yàn)中的作用是相同的，在以后敘述中不再區(qū)分。

那如何來探究勻變速直線運(yùn)動呢？筆者提供兩種常用方法：

1.逐差法：

2.圖像法：

由數(shù)據(jù) x1、x2、x3、x4……xn ，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)的周期為T，根據(jù)公式求出相應(yīng)的速度 v1、v2、v3、v4……vn的值，然后描點(diǎn)作出v-t 圖像，則得到的傾斜直線的斜率等于物體運(yùn)動的加速度值。

下面我們來熟悉具體的實(shí)驗(yàn)操作方法。

1.把一端附有定滑輪的長木板平放在實(shí)驗(yàn)桌上，并使滑輪伸出桌面，把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在長木板上沒有滑輪的一端，將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與學(xué)生電源相連，如圖所示。

2.用一條細(xì)繩拴在小車上，細(xì)繩跨過滑輪，并在細(xì)繩的另一端掛上合適的鉤碼，放手后小車能在長木板上平穩(wěn)的加速滑行一段距離。把紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，并把它的一端固定在小車的后面。

3.把小車停在靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器處，先接通電源，再放開小車，讓小車帶動紙帶運(yùn)動，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器就在紙帶上打下一系列的點(diǎn)，關(guān)閉電源，取下紙帶，換上新紙帶，重復(fù)實(shí)驗(yàn)多次。

4.從幾條紙帶中選擇一條比較理想的紙帶，舍掉開始一些比較密集的點(diǎn)，在后面便于測量的地方找一個(gè)開始點(diǎn)，以后依次每五個(gè)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，并標(biāo)明A、B、C、D……，如圖所示，用刻度尺測出A到O、B到O、C到O…之間的距離，再通過計(jì)算求出O到A 、A到B、B到C……之間的距離x1、x2、x3….

在上述操作進(jìn)程中，筆者以為需要注意以下幾個(gè)問題：

1.同學(xué)們要是第一次使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，操作前一定要認(rèn)真閱讀課本或老師準(zhǔn)備的實(shí)驗(yàn)器材說明卡，結(jié)合實(shí)物弄清它的結(jié)構(gòu)、各部分的功能、使用注意問題。

2.長木板應(yīng)當(dāng)穩(wěn)固傾斜，傾斜的角度應(yīng)使紙帶上打出足夠多的清晰點(diǎn)；固定打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)要注意：將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器紙帶限位器與長木板縱軸位置對齊，使紙帶、小車?yán)€和定滑輪在一條直線上。

3.若使用電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，應(yīng)會用復(fù)寫紙調(diào)節(jié)片。安裝復(fù)寫紙時(shí)，先將復(fù)寫紙調(diào)節(jié)片向外拉出，將復(fù)寫紙圓片孔套在復(fù)寫紙定位銷上，向里推調(diào)節(jié)片，可調(diào)節(jié)復(fù)寫紙位置。如果發(fā)現(xiàn)振針打不出點(diǎn)，要注意調(diào)節(jié)振針的高度。紙帶打完后立即切斷電源。若使用電火花計(jì)時(shí)器，墨粉紙盤套在紙盤軸上，有墨粉的一面朝下。如果發(fā)現(xiàn)有頻率選擇開關(guān)，可以選擇50Hz擋。紙帶打完后立即切斷電源。

4.先接通電源使打點(diǎn)計(jì)時(shí)器穩(wěn)定工作后，再釋放紙帶。

5.測量紙帶等時(shí)段位移時(shí)，盡量用長尺一次測完。

6.選取計(jì)數(shù)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)舍掉開頭部分密集的點(diǎn)和末端部分位移間隔已經(jīng)減小的點(diǎn)，僅選取位移間隔均勻增加的中間部分。

7.注意區(qū)分計(jì)時(shí)點(diǎn)間的時(shí)間間隔與計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔。

8.作速度-時(shí)間圖像要選擇合適的標(biāo)度，使圖分布在坐標(biāo)紙的大部分區(qū)域。連線時(shí)應(yīng)使盡量多的點(diǎn)在一條直線上，不在直線上的點(diǎn)盡量落在圖線的兩側(cè)。

近10年高考題中涉及打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的題目很多，筆者舉幾例說明。

例如：（2006年·重慶理綜）某同學(xué)用如圖所示裝置測量重力加速度g，所用交流電頻率為50Hz.在所選紙帶上取某點(diǎn)為0號計(jì)數(shù)點(diǎn)，然后每3個(gè)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，所有測量數(shù)據(jù)及其標(biāo)記符號如下圖所示.

從數(shù)據(jù)處理方法看，在S1、S2、S3、S4、S5、S6中，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果起作用的，方法A中有__________；方法B中有_________.因此，選擇方法______（A或B）更合理，這樣可以減少實(shí)驗(yàn)的________（系統(tǒng)或偶然）誤差.本實(shí)驗(yàn)誤差的主要來源有________（試舉出兩條）.

【答案】S1，S6或37.5，193.5；S1，S2，S3，S4，S5，S6或37.5，69.0，100.5，131.5，163.0，193.5；B；偶然；阻力[空氣阻力，振針的阻力，限位孔的阻力，復(fù)寫紙的阻力等]，交流電頻率波動，長度測量，數(shù)據(jù)處理方法等.

這樣，全部數(shù)據(jù)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果都起作用，可以減少數(shù)據(jù)測量帶來的偶然誤差.因此，選擇方法B更合理.本實(shí)驗(yàn)誤差的主要來源于各種阻力、交流電頻率波動等系統(tǒng)誤差，長度測量等偶然誤差以及數(shù)據(jù)處理方法不當(dāng)?shù)?

再比如：（山東2012高考理綜題）21題：（1）某同學(xué)利用圖甲所示德 實(shí)驗(yàn)裝置，探究物塊在水平桌面上的運(yùn)動規(guī)律。物 塊在重物的牽引下開始運(yùn)動，重物落地后，物塊再運(yùn)動一段距離停在桌面上（尚未到達(dá)滑輪處）。從紙帶上便于測量的點(diǎn)開始，每5個(gè)點(diǎn)取1個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離如圖議所示。打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源的頻率為50Hz。

①通過分析紙帶數(shù)據(jù)，可判斷物塊在相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn) _________和_________之間某時(shí)刻開始減速。

②計(jì)數(shù)點(diǎn)5對應(yīng)的速度大小為_________ m/s，計(jì)數(shù)點(diǎn)6對應(yīng)的速度大小為_________m/s。（保留三位有效數(shù)字）。

③物塊減速運(yùn)動過程中加速度的大小為a =_________m/s2，若用 來計(jì)算物塊與桌面間的動摩擦因數(shù)（g為重力加速度），則計(jì)算結(jié)果比動摩擦因數(shù)的真實(shí)值 _________（填“偏大”或“偏小”）。

【答案】：21.（1）①6；7【或7；6】②1.00；1.20③2.00；偏大

解析：（1）①由紙帶上各點(diǎn)間距可以看出，6、7兩點(diǎn)間距離最大，在計(jì)數(shù)點(diǎn)6之前，連續(xù)相等的時(shí)間內(nèi)位移差Vx=2.00cm，而6、7兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間位移與前一段位移之差Vx=x67-x56<2.00cm 。故物體在兩相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)6和7之間開始減速。

由此可見，近幾年各省市高考理科綜合卷更加重視對物理實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的考查，對考生實(shí)驗(yàn)探究能力、實(shí)驗(yàn)遷移能力的考查也有所提高。因此我們一線教師應(yīng)重視和加強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。