熱敏感應(yīng)式打點(diǎn)計(jì)時(shí)小車

陸娟芳

(余姚市夢(mèng)麟中學(xué) 浙江 寧波 315400)

1 設(shè)計(jì)背景

高中物理實(shí)驗(yàn)中的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，從電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器到目前普遍在用的電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，已經(jīng)有很長(zhǎng)時(shí)間了．而這期間，打印技術(shù)則從“鋼琴式”打印、噴墨打印、激光打印發(fā)展到3D打印，有必要對(duì)當(dāng)前的電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)．更何況，用目前的實(shí)驗(yàn)方法，小車后面拖著一條長(zhǎng)長(zhǎng)的紙帶，不僅實(shí)驗(yàn)操作麻煩，而且紙帶與電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器限位孔之間的摩擦阻力，會(huì)增大實(shí)驗(yàn)誤差，甚至是實(shí)驗(yàn)失敗的最主要原因．

2 設(shè)計(jì)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(xiàn)今在用的電火花計(jì)時(shí)器取出高壓(圖1)．這種實(shí)驗(yàn)裝置目前在網(wǎng)上已經(jīng)有賣，筆者因早就有對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改良的想法，立即買了一套來(lái)試．但結(jié)果令人大失所望．實(shí)驗(yàn)打點(diǎn)如圖2所示．雖然這套裝置在實(shí)驗(yàn)時(shí)可以完全消除紙帶與限位孔之間的摩擦力，但紙帶上的點(diǎn)跡出現(xiàn)了“跳躍”、“過粗”、“模糊”這些現(xiàn)象，根本無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理．

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 打點(diǎn)后的紙帶

分析產(chǎn)生這種狀況的原因，傳統(tǒng)的電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)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(diǎn)跡．而網(wǎng)上買來(lái)的這套裝置，高壓的一端是放電針，但另一端是一塊金屬長(zhǎng)條，放電針與金屬長(zhǎng)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(zhǎng)條的加工不光滑等因素，都會(huì)造成點(diǎn)跡前后左右不規(guī)則的跳躍，模糊，導(dǎo)致點(diǎn)跡也變粗，變淡．即使這套裝置偶爾能打出可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的點(diǎn)，但它的耗材——墨粉紙條的成本太高．以一個(gè)年級(jí)12個(gè)班級(jí)的規(guī)模計(jì)算，做一次學(xué)生實(shí)驗(yàn)就需要近千元的耗材費(fèi)，一般的學(xué)校很難承擔(dān)．

2.2 巧妙設(shè)計(jì)

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

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

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

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

圖3 改良后的實(shí)驗(yàn)裝置

這樣設(shè)計(jì)保證了在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)的安全．通過這樣的設(shè)計(jì)，把本來(lái)在兩邊均放電改成只在小車底部放電極與下面金屬長(zhǎng)條之間放電，相當(dāng)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(yīng)在紙上留下清晰的而且很細(xì)小的點(diǎn)跡．由于熱敏紙感應(yīng)留跡利用的是空氣電離時(shí)產(chǎn)生的高溫，而這高溫區(qū)域又局限在放電針負(fù)極很小的區(qū)域內(nèi)，所以保證了點(diǎn)跡不出現(xiàn)前后左右的跳躍，打點(diǎn)效果如圖4所示．

圖4 改良后打點(diǎn)的紙帶

值得一提的是，這樣的設(shè)計(jì)既保留了傳統(tǒng)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的基本原理，又達(dá)到了比傳統(tǒng)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器更好的效果．而且本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shè)備上普遍在用的材料，所以它的費(fèi)用比目前實(shí)驗(yàn)室在用的電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器紙盤更便宜，大約只有傳統(tǒng)電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器紙盤價(jià)格的四分之一，這大大降低了實(shí)驗(yàn)的耗材費(fèi)用．

3 實(shí)際課堂教學(xué)效果檢驗(yàn)

我們采用學(xué)生分組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分別用傳統(tǒng)的車拖紙帶式電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器軌道小車，氣墊導(dǎo)軌結(jié)合數(shù)字計(jì)時(shí)器和光電門，及文中介紹的熱敏感應(yīng)式打點(diǎn)計(jì)時(shí)小車，做“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)．從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，學(xué)生用熱敏式打點(diǎn)計(jì)時(shí)小車速度最快，完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)平均只需12 min．從實(shí)驗(yàn)的精確程度來(lái)看，熱敏感應(yīng)式打點(diǎn)計(jì)時(shí)小車與用氣墊導(dǎo)軌做實(shí)驗(yàn)差不多．而傳統(tǒng)的車拖紙帶式方法，由于更換紙帶麻煩，學(xué)生實(shí)驗(yàn)占用時(shí)間多，加之前面所述紙帶與限位孔之間的阻力是個(gè)不可控因素，實(shí)驗(yàn)的誤差大，導(dǎo)致學(xué)生很難在一堂課上完成實(shí)驗(yàn)的測(cè)量和數(shù)據(jù)處理．而利用熱敏感應(yīng)式打點(diǎn)小車進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，節(jié)約了學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的時(shí)間，大幅提高課堂效率．以下是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)的一組數(shù)據(jù)記錄(表1和表2)及處理結(jié)果(圖5和圖6)．

表1探究加速度與力的關(guān)系

小車質(zhì)量M=372.5 g

次數(shù)砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量m/g小車所受合力F/N相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)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(zhì)量的關(guān)系

砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量m=15.7 g

次數(shù)小車及車內(nèi)鉤碼總質(zhì)量M/g1M/kg-1相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)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(lái)的展望

進(jìn)一步改良供電模塊，使小車成為真正意義上的打點(diǎn)計(jì)時(shí)小車．經(jīng)過前面的巧妙設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)效果已經(jīng)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(nèi)，使小車成為“會(huì)打點(diǎn)計(jì)時(shí)的小車”，實(shí)際上就是將打點(diǎn)計(jì)時(shí)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(shí)驗(yàn)桌上放一張導(dǎo)電紙，放上熱敏紙帶，小車開過就能在熱敏紙帶上留下點(diǎn)跡．如果是金屬桌面(如教師的講臺(tái))，只要直接放上熱敏紙就可以了．再將小車輪子改成金屬萬(wàn)向輪，還可以用這輛打點(diǎn)計(jì)時(shí)小車來(lái)演示物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件和曲線運(yùn)動(dòng)的方向等實(shí)驗(yàn)．如再增加一個(gè)給鋰電池充電的模塊，使用將更加方便．