運(yùn)動(dòng)合成演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)
——用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器演示運(yùn)動(dòng)合成

周保健

(邳州市官湖高級(jí)中學(xué) 江蘇 邳州 221321)

人教課標(biāo)版物理教材《必修2》第 4頁運(yùn)動(dòng)合成演示實(shí)驗(yàn)：用的是紅蠟塊在玻璃管中勻速上升，然后用手拿著玻璃管使其在水平方向上勻速運(yùn)動(dòng).本實(shí)驗(yàn)在實(shí)際教學(xué)演示過程中效果較差，主要原因：

(1)在觀察上學(xué)生無法直觀判斷小蠟塊在玻璃管中是否勻速上升；

(2)在操作上手動(dòng)很難做到在水平方向勻速運(yùn)動(dòng)；

(3)即使以上兩條都做到了，學(xué)生也不能直觀定量判斷小球的合運(yùn)動(dòng)就是勻速直線運(yùn)動(dòng).

筆者在教學(xué)過程中采用電火花計(jì)時(shí)器打點(diǎn)的原理，描繪出合運(yùn)動(dòng)的軌跡，并用其計(jì)時(shí)功能，定量計(jì)算出合速度與分速度的關(guān)系.

1 電火花計(jì)時(shí)器工作原理

圖1為目前在普通高中推廣使用的J01207型電火花計(jì)時(shí)器的電路原理圖.開關(guān)S接通后，220 V交流電正半周通過二極管D1、D4和限流電阻R1，對(duì)電容器C1充電；交流電負(fù)半周通過二極管D2、D3和限流電阻R2及穩(wěn)壓管D5.當(dāng)穩(wěn)壓管上電壓達(dá)到穩(wěn)定值10 V時(shí)，晶閘管被觸發(fā).此時(shí)在交流電正半周加在電容器上的電壓通過變壓器T初級(jí)線圈，二極管D8，晶閘管D6放電，于是在變壓器T次級(jí)線圈產(chǎn)生高達(dá)30 kV的脈沖電壓，這樣交流電每一周放電一次，脈沖電流經(jīng)過接正極的放電針、墨粉紙盤，到接負(fù)極的紙盤軸上產(chǎn)生火花放電，于是在運(yùn)動(dòng)的紙帶上就打出一系列的點(diǎn)跡.當(dāng)電源頻率是50 Hz時(shí)，每隔0.02 s打點(diǎn)一次.電火花計(jì)時(shí)器上有正脈沖輸出插座(紅色)和負(fù)脈沖輸出插座(黑色)，輸出的高壓使電火花放電間隙可達(dá)1 cm以上，下面的實(shí)驗(yàn)就利用了計(jì)時(shí)器這對(duì)擴(kuò)展插座.

圖1

2 運(yùn)動(dòng)合成演示實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)器材

慢速電機(jī)2個(gè)，自制水平鋁合金框架(內(nèi)含凹槽滑軌)，金屬滑輪4個(gè)，細(xì)直鐵絲2根，鋁金屬面板60 cm×60 cm,電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，多孔插座1個(gè)，導(dǎo)線若干.

2.2 實(shí)驗(yàn)組件的制作與裝配

(1)鋁合金框架的制作

用兩細(xì)鐵管支柱和鋁合金組合制成高60 cm，長(zhǎng)120 cm的水平鋁合金框架，框架上下內(nèi)側(cè)裝有對(duì)稱凹槽滑軌，如圖2所示.

(2)放電針的制作

把銅導(dǎo)線一端打磨成針尖，剪取4 cm左右作放電針；把膠皮導(dǎo)線和放電針焊接在一起；膠皮導(dǎo)線的另一端焊接一只鱷魚夾，便于實(shí)驗(yàn)時(shí)連接電火花計(jì)時(shí)器的高壓正極脈沖輸出端.為了防止放電針在運(yùn)動(dòng)過程中晃動(dòng)，把它插入到一泡沫滑塊中.

圖2

(3)滑塊的制作

取家用電器包裝箱內(nèi)減震作用的硬泡沫一小塊，在其上下表面分別再加一片硬塑料，中間用細(xì)軟繩扎緊.再取2根細(xì)直鐵絲穿過硬泡沫.

(4)底板的制作

把長(zhǎng)60 cm、寬60 cm、厚5 mm的鋁板固定在鋁合金壓條框內(nèi)，并在框的上下兩面對(duì)稱地各裝2個(gè)金屬滑輪.金屬滑輪與鋁合金框架就作為高壓端負(fù)極，與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器高壓負(fù)極脈沖輸出端連接.將實(shí)驗(yàn)室所用的電火花計(jì)時(shí)器整張?zhí)挤奂堎N在60 cm×60 cm的白紙上.

(5)實(shí)驗(yàn)組件的裝配

將制作好的放電針?biāo)讲迦氲交瑝K里，再將穿過滑塊的兩根鐵絲分別固定在鋁合金框架的上下表面.注意固定時(shí)應(yīng)使兩鐵絲盡量保持豎直且呈拉直狀態(tài).將制作好的底板放入金屬框架凹槽滑軌中，用手輕推，以底板能夠自由滑動(dòng)較遠(yuǎn)距離為好；將慢速電動(dòng)機(jī)A固定在鋁合金框架的右下端，使電機(jī)軸線與固定在底板下方的掛鉤在同一水平線上；然后用細(xì)繩通過電機(jī)軸和掛鉤繞在一起，將另一個(gè)慢速電機(jī)B固定在鋁合金框架的上端，使電機(jī)軸線正好在穿過滑塊的兩根鐵絲的中間；然后用細(xì)繩通過電機(jī)軸和滑塊連接在一起，且使細(xì)繩盡量與底板、直鐵絲平行.裝備好的實(shí)驗(yàn)裝置平視圖如圖3所示.

圖3

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

首先使鋁板移到裝置的最左端，同時(shí)打開電機(jī)A和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，(把電機(jī)A與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器同時(shí)插入多孔插座上，打開多孔插座開關(guān)即可同時(shí)打開.)在紙面上就會(huì)出現(xiàn)如圖4的圖線；然后把鋁板再移到最左端，拿開A電機(jī)電源，使B電機(jī)與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器插入多孔插座上，并同時(shí)打開，在紙面上將會(huì)出現(xiàn)如圖的圖線；最后再把鋁板移到最左端，同時(shí)把電機(jī)A、B和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器同時(shí)插到多孔插座上，并打開多孔插座的開關(guān)，在紙面上出現(xiàn)如圖6的直線.學(xué)生對(duì)比水平、豎直與合運(yùn)動(dòng)的圖線，很直觀并能定量計(jì)算出合運(yùn)動(dòng)與分運(yùn)動(dòng)位移、速度關(guān)系.

圖4 圖5 圖6

本實(shí)驗(yàn)裝置還能描繪出類平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律、兩個(gè)勻加速運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)的規(guī)律.類平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，只需把實(shí)驗(yàn)裝置中的右下端A電機(jī)拿下，并在此位置裝上一個(gè)定滑輪，并使定滑輪伸出框架外側(cè)，且細(xì)繩一端連接底板掛鉤而后繞過滑輪，細(xì)繩與滑軌平行.另一端連接一重物(如鉤碼)，則釋放重物的同時(shí)打開電機(jī)B與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，就實(shí)現(xiàn)水平方向勻加速、豎直方向勻速運(yùn)動(dòng)的軌跡圖像.