“探究功與速度變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

摘 要：采用改裝的J0201數(shù)字計(jì)時(shí)器，等間距放置4個(gè)光電門探究功與速度變化的關(guān)系，該方法充分利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)器材，實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，不需要平衡摩擦力，不需要紙帶等實(shí)驗(yàn)耗材，實(shí)驗(yàn)誤差小。

關(guān)鍵詞：數(shù)字計(jì)時(shí)器;功與速度變化;光電門;擴(kuò)展

《物理教學(xué)探討》2019年第2期曾刊登劉詩(shī)雨等的文章“‘探究功與速度變化的關(guān)系’實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)”，該文利用朗威DISLab和4個(gè)光電門采用“等間距”放置光電門，鉤碼牽引小車做功使小車速度變化，從而探究功與速度變化的關(guān)系。但朗威DISLab實(shí)驗(yàn)套件在很多學(xué)校并未配置（有些沒有配置4個(gè)以上光電門），因而無法進(jìn)行這樣的實(shí)驗(yàn)。鑒于此，本人通過分析本校配置的J0201數(shù)字計(jì)時(shí)器電路，成功擴(kuò)展了光電門數(shù)量，用J0201數(shù)字計(jì)時(shí)器和光電門做“探究功與速度變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)，因?yàn)閿?shù)字計(jì)時(shí)器只配備了兩個(gè)光電門接口，采用這種方法必須將光電門數(shù)擴(kuò)展到4個(gè)以上。

一、擴(kuò)展光電門數(shù)

J0201數(shù)字計(jì)時(shí)器的核心器件是8051單片機(jī)，該儀器主板簡(jiǎn)化電路如圖1所示。從光電門輸入的檢測(cè)信號(hào)經(jīng)U1A或U1B（型CD40106）反相后進(jìn)入二選一模擬開關(guān)U2（CD4053），兩路輸入在程序控制下分時(shí)進(jìn)入U(xiǎn)3的中斷輸入端口INT1。在光電門沒有擋光的情況下，接收管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，U1A、U1B輸入低電平，反相后輸出高電平，而程序設(shè)定U3的INT1端為下降沿中斷（開始計(jì)時(shí)），所以此時(shí)為等待狀態(tài)。任意一只接收管被擋光瞬間，U1A或U1B輸入由低電平變?yōu)楦唠娖?，反相輸出端為高電平變低電平（即下降沿），觸發(fā)INT1中斷開始計(jì)時(shí)。J0201數(shù)字計(jì)時(shí)器能記憶最后十次數(shù)據(jù)，且任意光電管檔光瞬間觸發(fā)計(jì)時(shí)，利用這一點(diǎn)，J0201數(shù)字計(jì)數(shù)器最多可將光電門數(shù)目擴(kuò)展到10個(gè)。

二、改裝方法

以擴(kuò)展“光電門1”接口為例，首先應(yīng)將圖1中的R1（100kΩ）上端由接+5v改為接地（GND），保證未接光電門時(shí)U1A輸入端為低電平。擴(kuò)展電路如圖2所示，圖中只畫出了兩組光電門，實(shí)際可擴(kuò)展多組，以豎虛線為界每一段為一組，包括紅外發(fā)射、接收電路。R3、R5為發(fā)射管限流電阻，T1、T2為紅外接收光敏三極管，（因光敏三極管的基極未引出，所以只有兩個(gè)引腳，外封裝與光敏二極管相似，要注意區(qū)分）。R4、R6分別為T1、T2負(fù)載電阻。

該方法簡(jiǎn)單易行，基本不改動(dòng)主電路板。筆者已改裝成功，將一個(gè)接口掛接4組光電門用于實(shí)驗(yàn)中。注意改裝后“光電門2”接口仍需插接上光電門2并且不能被檔光，否則會(huì)干擾“光電門1”正常工作。

三、實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)物如圖3

實(shí)驗(yàn)器材包括：J0201數(shù)字計(jì)時(shí)器，J2183軌道小車一套，經(jīng)過改裝的光電門，質(zhì)量為20克的鉤碼一個(gè)，0.9米左右的直方木條一根，寬2厘米長(zhǎng)10厘米的薄鋁條一根，細(xì)線一根。

四、用數(shù)字計(jì)時(shí)器“探究功與速度變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)原理、方法

（一）實(shí)驗(yàn)原理：

如圖4所示，在A、B、C、D、E5個(gè)位置上等間距放置5個(gè)光電門，其中A位置的光電門沒有與接口連接，僅起指示小車初始位置的作用。

B、C、D、E4個(gè)光電門接入數(shù)字計(jì)時(shí)器1接口。5個(gè)光電門用螺釘?shù)乳g距固定在長(zhǎng)直方木條上（保證光電門高度一致），與J2183鋁合金軌道平行放置。寬2厘米的薄鋁條彎成“幾”字彎，用螺絲釘固定在小車前方左側(cè)邊緣（用于擋光），鉤碼通過細(xì)線跨過定滑輪牽引小車運(yùn)動(dòng)。

小車從靜止開始經(jīng)過A-E各個(gè)光電門，通過鋁條擋光時(shí)間和鋁條寬度測(cè)算出小車經(jīng)過光電門時(shí)的即時(shí)速度（鋁條有一定的寬度，實(shí)際是鋁條經(jīng)過光電門時(shí)的平均速度）。

小車在運(yùn)動(dòng)過程中受力情況沒有發(fā)生變化，各光電門間距相等，因而外力（包括摩擦力在內(nèi)）在各段對(duì)小車做的功是相等的（記作w）。因此，不必計(jì)算每段做功的具體數(shù)值，也不需要平衡摩擦力。

（二）實(shí)驗(yàn)方法：

1.按圖3所示擺放實(shí)驗(yàn)器材，各光電門連接至J0201數(shù)字計(jì)時(shí)器光電門接口1。

2.鉤碼通過細(xì)線跨過定滑輪連接至小車前端。

3.小車放置水平軌道上，擋光片置于（緊挨著）第一個(gè)光電門邊緣。

4.釋放小車，記錄小車上擋光片經(jīng)過各光電門的擋光時(shí)間。

五、數(shù)據(jù)處理

筆者實(shí)驗(yàn)所用的器材，鋁條擋光片寬度為2厘米，相鄰光電門間距為18厘米。

小車質(zhì)量194.5克，鉤碼質(zhì)量20克。其它實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1

以上數(shù)據(jù)經(jīng)過EXCEL軟件以速度、速度的平方為橫坐標(biāo)做功為縱坐標(biāo)，作圖像見圖5、圖6所示。

從圖6可知w—v2圖像是一條經(jīng)過原點(diǎn)的直線，即w∝v2。

結(jié)束語：以J0201數(shù)字計(jì)時(shí)器和光電門做上述實(shí)驗(yàn)，充分開發(fā)利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)器材，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)過程，不需要平衡摩擦力，一次實(shí)驗(yàn)就可以獲得所需實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，節(jié)約時(shí)間用于數(shù)據(jù)分析。不需要實(shí)驗(yàn)紙帶利于環(huán)保。并且提高了精度，很容易得出功與速度變化的關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

[1]人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材研究中心普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理必修2[M]北京：人民教育出版社，2010：69-71

[2]劉詩(shī)雨、余雪妹.探究功與速度變化的關(guān)系實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].物理教學(xué)探討，2019（2）：49-52

[3]曹衛(wèi)華.優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)培養(yǎng)創(chuàng)新能力探究功與速度變化的關(guān)系實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與教學(xué)實(shí)踐[J]中學(xué)物理，2012（4）：46-47

作者簡(jiǎn)介：潘隆軍（1964-），男，中學(xué)高級(jí)教師，主要從事中學(xué)物理教學(xué)工作。