
當物體沿直線運動時,其位移在不斷變化。我們要研究物體的運動規(guī)律,首先要準確記錄物體運動的信息。直接測量物體運動的速度在技術上是比較復雜的,我們可以使用秒表和刻度尺來測量物體運動的時間和位移,再經(jīng)過計算或作圖來判斷物體的運動情況。但當物體的運動速度太快時,采用這種方法測量的誤差較大。打點計時器是一種記錄物體運動位移和時間信息的儀器,我們可以利用它來測量和計算物體運動的速度。
打點計時器是一種通過在紙帶上打出一系列的點來記錄物體運動信息的儀器。通過分析紙帶上的點,可以研究物體的運動規(guī)律。實驗室常用的打點計時器有電火花計時器和電磁打點計時器兩種。
電火花計時器的工作電源是220 V的交流電源,它通過每間隔一個固定的時間 (即周期) 放電產(chǎn)生的火花在紙帶上打出一系列的點。當電源頻率是 50 Hz 時,每隔 0.02s 打一次點。如圖所示是電火花計時器的構造圖,圖中標出了主要部件的名稱。
電磁打點計時器的工作電源是 4~6 V的交流電源,通過線圈和永久磁鐵的作用帶動一個上下振動的振針,在紙帶上打出一系列的點。振針上下振動的時間間隔不變 (即發(fā)生周期性振動)。當電源頻率是 50 Hz 時,紙帶上每打出兩個相鄰點所經(jīng)歷的時間(即周期)都是 0.02 s。 如圖所示是電磁打點計時器的構造圖,圖中標出了主要部件的名稱。
電火花計時器和電磁打點計時器的計時原理基本相同,當電源頻率為 50 Hz 時,打點的時間間隔都是 0.02 s,本書把它們統(tǒng)稱為打點計時器。
用打點計時器測量瞬時速度的方法
在直線運動中,要測量物體在某一點的瞬時速度,可以用測量包含這一點的平均速度來近似替代。如圖所示的是物體做直線運動時打點計時器記錄物體運動軌跡打出的紙帶。
實驗1:練習使用打點計時器在動手練習使用打點計時器之前,請思考如下問題:紙帶上的點與物體的位移和時間是如何對應的?怎樣將紙帶上的點轉化成相關的數(shù)據(jù)?怎樣根據(jù)紙帶上的點跡計算紙帶的平均速度?把打點計時器固定在水平桌面上。觀察打點計時器,閱讀使用 說明書,了解它的結構,按照說明書安裝好紙帶。接通交流電源,用手水平拉動紙帶,紙帶上就打出一系列點跡,然后關閉電源。
實驗2:測量沿斜面運動小車的瞬時速度(1) 如圖所示,把打點計時器固定在斜面的頂端,將一輛系有紙帶的小車放置在斜面上。接通打點計時器的電源,讓打點計時器開始打點,然后放手讓小車帶動紙帶運動,在紙帶上打出一系列的點,記錄下小車的運動信息。
(2) 在紙帶上選取點跡清晰的一段,將某個能看清的點標為 0,以后每隔0.1s標一個計數(shù)點,相鄰計數(shù)點間的位移為 s1,s2,s3,s4,s5 (如圖所示)。用刻度尺測量相鄰計數(shù)點間的位移,將測量結果填入下表中。
根據(jù)表中的數(shù)據(jù),在圖中作出v-t 圖像 (以0計數(shù)點作為計時起點),并根據(jù)圖像說明小車的運動情況。
數(shù)字計時器是一個可以將采集信息的時間顯示出來的儀器。如圖所示的是由數(shù)字計時器和光電門組成的計時測量裝置。光電門的外形像門,其一邊安裝發(fā)光裝置,另一邊安裝光線接收裝置,并都與數(shù)字計時器連接。當寬度一定的物體通過光電門時,光線被遮擋,數(shù)字計時器開始計時;當物體離開光電門時,數(shù)字計時器停止計時。這樣就可以記錄物體遮擋一個光電門光線的短暫時間。數(shù)字計時器還可以記錄物體經(jīng)過兩個光電門之間的時間以及測量物體運動的瞬時速度和平均速度。
記錄物體通過一個光電門的時間:光線遮擋,開始計時;物體離開,停止計時。記錄時間為t。
1、測量物體通過光電門位置的瞬時速度
測量物體的遮光寬度,記錄位移為d.
2、測量物體經(jīng)過兩個光電門之間的平均速度
測量兩個光電門之間的距離,記錄為s.
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