計時器
原理介紹：
中國古代有“結繩記事”之說，而我們今天要做的實驗就是“點計時”。那么點計時需要什么樣的儀器呢？點計時儀。它的作用就是“把連續的運動分離成離散的“場景”，精彩的瞬間定格成永恒”。首先，點計時儀大家族有多少成員呢？兩個。他們分別是白雪公主——電磁式點計時儀和黑馬王子——電火花式點計時儀。他們同為皇位繼承人，但治理國家的方式卻大相徑庭：一個溫和，一個暴戾。為什么會有這樣的差異呢？讓我們一起走近科學。
我們先來看看電磁點鐘（電流的磁效應），看看它的結構是什么樣的？就像去北京長安街必看一樣，電磁點鐘也需要看它的中心軸。我們看到上面有一個線圈，線圈里包裹著一塊永久磁鐵。大家初中學過電流的磁效應嗎？奧斯特發現，當導線通電后，其周圍就會激發出磁場。因此，定時器的導線通電后，導線就被磁化，與永久磁鐵相互作用：如果磁極與永久磁鐵相反，就會吸引振子；相反，如果通過的電流反向，形成的磁極與永久磁鐵相同，就會排斥振子，從而帶動它上下振動，起起伏伏，如同人生一般。 （相關“選修課3-2《楞次定律》”）我們看到振動器的末端是尖的，就是振動針，當振動片振動時，振動針（物理損傷）會隨著振動片上下振動，當然振動頻率很快。振動針下面要放一張圓形的復寫紙和紙帶。那么問題來了——復寫紙應該在最上面嗎？還是紙帶在最上面？我們來想一想：如果紙帶在復寫紙上面，振動針打在紙帶上，紙帶上只留下一排排“小坑”，會不會有顏色呢？不會，因為涂了顏料的復寫紙不直接和振動針接觸打點計時器的使用，顏色會印在紙帶下面；所以實際操作時，應該把復寫紙放在紙帶上，紙帶要穿過限位孔（皮帶扣）。振動針振動時，先接觸復寫紙，再把復寫紙上的顏料打在紙帶上，形成一連串的圓點。所以這個“三明治”一定要夾對（三明治——“扔手帕”）。那么，打點定時器該怎么供電呢？我們看到打點定時器上有兩個端子，這兩個端子之間的電壓是小于6伏的。但是你知道民用電的電壓是多少嗎？220V！如果直接用，就成了“打孔機”，那么怎么辦呢？我們需要一個電壓“降壓器”——變壓器，課本上叫“學生電源”。當它的插頭插到插座上，輸入的是220v的電壓。我們可以看到它有一個旋鈕，這個旋鈕的作用就是選擇我們希望電源輸入給打點定時器的電壓。電磁式打點定時器的電壓應該在多少伏以下呢？是6v以下。所以把旋鈕調到6v的位置。 好，那么這個儀器的輸入電壓是220v，輸出電壓是6v，所以我們就取名為“變壓器”。電磁打點定時器只能和變壓器配合使用，所以是白雪公主的護花使者。大家回想一下，你的手機充電器上是不是也有類似的“大家伙”呢？
還有一種打點定時器叫電火花打點定時器（尖端放電），我們看到它黑漆漆的，短小精悍，是不是比電磁打點定時器小很多呢？沒錯，電火花打點定時器就是打點定時器家族中的“黑馬王子”。為什么呢？不光因為它是黑色的！一方面它比較小巧，結構簡單，給人一種樸素的美感；另一方面它獨領風騷，沒有變壓器陪伴，也就是它的輸入電壓是220v，輸出電壓也是220v。同樣是“治國”——打點，電火花定時器就很暴躁了——電壓比較高，同學們使用時一定要注意安全，通電狀態下不要拆開看、調墨紙。不要模仿別人物理資源網，看到用電磁定時器的同學拆儀器外殼，你也拆開看看。 殊不知他們在撫摸貓咪，而你在撫摸“電老虎”！其實電火花打點器原理跟打火機是一樣的，我們知道打火機之所以能點火，就是兩根導線之間產生火花，點燃酒精蒸汽。電火花打點器也是一樣，里面有一個放電針（法術傷害），尖端可以放電。你見過電火花嗎？當然見過，冬天脫毛衣時發出的噼里啪啦的聲音就是電火花。電火花打點器就是通過帶電墨水在紙帶上打出記號，先利用電能吸引輕小物體的性質，將墨水吸引到紙帶上，再利用火花的高溫將其熨燙在上面。想想看，剛印好的紙是不是有點燙手呢？（洗點、切點、吹點一條龍服務）電火花：先吸引后熨燙：始于容貌，落于才華，忠于人品。 （接觸“電法，尖端放電”）因為紙帶在運動，所以最后出來的結果和電磁點陣計時器一樣，是一排小點。但不是指針撞擊出來的點。電磁的顏色是藍色；電火花的顏色是黑色。為什么會有這樣的差別呢？有的同學說電火花點陣計時器的電壓比較高，是220v，所以發生了化學反應，顏色不一樣。其實不然。我們看到電磁點陣計時器使用的是復寫紙，也就是人們常說的“藍印紙”，所以出來的點自然是藍色的。你們見過復寫紙嗎？我小時候也犯過錯，犯了錯老師就罰我寫字，跟你們不一樣，誰能把一個字寫10遍呢？10遍！那時候我們用的是方格紙，哈哈。。你們是不是也有同樣的感覺？我寫字的時候，背面都鋪一層，兩層，三層。 當我用盡全力的時候，背面可以打印出三個字。這是復寫紙；而電火花點墨機使用的染料是碳粉盒，所以是黑色的。
介紹完點鐘家族的兩位成員，我們再來看看它們的一些特征量。我們看課本知道，點鐘的工作頻率，或者說“工作頻率”，是50Hz。那么頻率是什么呢？我們知道男生聲音低，女生聲音高。而聲音是靠振動產生的，也就是說聲音低的振動頻率就低，反之亦然。咦，我們看到一個同學在打瞌睡，他每10秒鐘打50次哈欠，那說明他打哈欠的頻率很高？很高！頻率是5Hz，所以他打一次哈欠的時間為0.2s（磕頭、搗蒜、在額頭上抹點墨汁，就是“人造點鐘”）。后面我們會知道，赫茲是一位偉大物理學家的名字，我們用它作為頻率的單位，以紀念這位物理學家。 那么我們給出這樣一個關系：f=1/T，工作頻率就是打點周期的倒數。F是的首字母，代表頻率；而T是指完成一個重復動作所需要的最少時間。它們之間是反比關系。同學們，把f=50Hz代入關系中，看看能不能得出周期T=0.02s。為什么頻率等于50Hz呢？這是由發電廠發電機的工作頻率決定的。（打點定時器1秒鐘打50個點，示波器1秒鐘掃描50場，就是因為頻率是50Hz。）格力變頻空調——一晚只需要一度電。在日本和一些西歐國家，工頻在60~70Hz之間，也就是說我們國家生產的電器在這些國家是不能用上的。生活中，工頻對我們的影響也是很大的。 比如蘋果手機在美國賣，因為沒有關稅，比較便宜，所以有些人托美國朋友買了蘋果手機，帶回國卻發現不能充電。這是為什么呢？就是因為工頻不一樣。所以這個一定要搞清楚，不然你心愛的手機就成了一次性的了。大家要注意，這兩個打點定時器用的都是交流電，那么直流電能不能用呢？比如實驗室停電了打點計時器的使用，一個愛做實驗的學生說：“老師，我去買個電池，插在端子之間，這樣可以嗎？”用足球明星的名字來回答，那是不行的（梅西）！因為這樣會變成訂書機/水龍頭斷頭臺——一次性的東西，除非你用極快的手速來回切換電池的正負極。但手動擋肯定不如自動擋，所以我們采用自動控制：用交流電。
實驗操作
參照課件+播放視頻。（先通電-打節奏？）
錯誤分析
因為都是計時定時器，所以電火花定時器比電磁計時定時器更精確。為什么呢？因為我們觀察電磁計時定時器工作的時候，振針是不是要一直接觸紙帶呢？雖然接觸時間很短，但只要接觸到紙帶，就會影響紙帶的運動。就像學生跑步的時候，如果后面總有人時不時地用繩子拉你，也會影響你跑步的速度，所以我們也要考慮紙帶的感覺；而電火花定時器幾乎沒有質量，紙帶的運動可以很流暢。
我在此提醒大家兩點：點陣儀使用前需要預熱，才能達到最佳狀態，打出的點才會均勻穩定。就像開車前需要熱車一樣，運動員在運動前也需要熱身。反例：我睡著了，突然問點陣儀有幾種類型？我問你們心肌梗塞有幾種類型？使用完后一定要及時拔掉電源，因為大家看到課本P.19下面的小字：點陣儀并不是可以連續工作的儀器，和大家一樣，工作一段時間后需要休息。2012班的一群同學曾經在實驗室里跟我有過這樣的對話：“老師，我的點陣儀為什么會冒白煙？”我：“它連續滴答了多久了？”答：“從上課開始就一直在滴答”我：“頭暈！”總結來說，點陣儀要“早開早關”。
最后要注意的是，在處理數據時，磁帶開頭那些比較密集的點要舍棄，這些點就像軍訓時的“小步子”，不能體現隊伍前進的規律，后面那些比較清晰的點就像前進的步伐，雄健穩健，所以才采用。
偶然誤差：用尺子分段測量位移——切莫作惡雖小，也不要累積偶然誤差，否則小錯誤就會釀成大錯誤。
系統誤差：針頭與紙帶間的摩擦使速度減慢。
4.數據處理
通過實驗，我們得到了一條紙帶：紙帶上有一些圓點（左邊密右邊疏，速度慢時密，速度快時疏）。從紙帶上我們能得到什么呢？閱讀這節課的標題，你會發現，我們的課是利用圓點計時器來測速。那么我們如何根據這條紙帶得到物體的速度信息呢？很簡單，我們先寫出速度公式：V=x/t。我們看到有3個圓點，老師比較喜歡第二個圓點，所以我們就測一下第二個圓點的速度，而且是瞬時速度。中間點：首先我們勾勒出三個最近的鄰居（遠親不如近鄰）（就像測我們中間同學的速度，我們先要找出他的兩個同桌）。三個點之間應該有兩個時間間隔，我們知道打中一個點需要0.02s，所以兩個時間間隔所需要的時間就是0.04s。 好了，我們得到了擊中三點所需要的時間間隔；那么用尺子就可以測量出三點之間的距離，大概是5cm左右。因此，我們得到了物體的速度V=x/t=1.25m/s。此時，同學們就有疑問了：為什么我們算出來的是1點到3點的平均速度，但是卻變成了瞬時速度呢？是這樣的，還記得我們講速度的時候講過在什么條件下運動物體的平均速度等于瞬時速度嗎？有同學說在勻速直線運動中，二者相等。那么再一個條件是什么呢？如果滿足這個條件，二者就近似相等了。有同學說當△t→0的時候，也就是時間間隔趨向于0的時候，二者就相等了。我們看到1點到3點的時間間隔是0.04秒？這個0.04s其實是一個非常接近0的數字，所以我們就把平均速度換算成瞬時速度。 然后同學們說我們承認這個速度是平均速度，那么為什么這個瞬時速度是點2的速度呢？為什么不是旁邊的點1或者點3呢？因為有一句話：“你可以通過你周圍的朋友來判斷你是什么樣的人”，也就是所謂的“與人為伴者為紅人，與人為伴者為黑人”。所以你周圍點的平均水平也能反映出你的情況。中國數學家華羅庚先生曾經回答過這個問題，他寫了一本書叫《最優選擇法》。在這本《最優選擇法》里，他明確地告訴我們：在做選擇的時候，我們應該首先選擇中間位置的選項。為什么呢？我們不需要理解，這是經過嚴密計算后得到的。（聯系《必修1.2章‘勻加速直線運動’》的中間矩法）邊緣點：
有時候點太密，根本分辨不清，怎么辦呢？ 就好比我要收作業，但一個一個收又太慢，怎么辦呢？ 先讓組長把他組的作業收好，然后一組一組地遞給我，我收一次就能得到一組作業本了。 處理點跡線也是一樣，我把所有用點計時器標記的點都叫做“計時點”——它們可以記錄時間：0.02s，就好比每個學生寫的作業；而用“五點抽樣”的方法，每5個點（每4個點）標記一個點，叫做一個“計數點”，就好比從5個學生中選出一個組長。那么這個組長手里的作業就是5個人的作業，所以計數點的時間間隔也就是5個計時點的間隔，也就是：5×0.02s=0.1s。
做事時問問題
現在就讓學生自己動手操作一下，在做實驗的過程中，我們注意快速和緩慢拖動紙帶時，圓點的間距是否有差異。
另外我們發現，當紙帶快速拖動時，點之間的距離特別大，當紙帶緩慢拖動時，點之間的距離更小。結合公式：s=vt可以理解這個現象。點計時器的計時間隔為0.02s。當我們快速拖動紙帶時，速度v很快，導致點之間的距離很大，點很稀疏。相反，當紙帶緩慢拖動時，點就比較密集。
處理圖像
介紹如何擬合圖形線：“順勢、平滑”。
順勢而為：尋找未來的趨勢；
平滑：不要把所有責任都推卸給別人，也不要把它弄成曲線或者折線。而是要學習星光大道，去掉無效數據——“最高分”、“最低分”，去掉那些不合適的點，你的腰椎間盤為什么突出？然后求出平均值。
芯線：均勻→直線；
勻速→平線；
勻加速→斜線。