1.實驗步驟
(1)把電磁打點計時器固定在水平桌面上,紙帶穿過限位孔,把復(fù)寫紙?zhí)自诙ㄎ惠S上,而且壓在紙帶里面;
(2)把電磁打點計時器的兩個接線柱接到8V的低壓交變電源上;
(3)接通電源,用手水平帶動紙帶,使紙帶在水平方向上運動,紙帶上就打下一系列點,此后立刻關(guān)掉電源。
2.?dāng)?shù)據(jù)處理
(1)檢測平均速率
①選取紙帶上一點為起始點0,前面每5個點取一個計數(shù)點,分別用數(shù)字1,2,3,…標(biāo)出那些計數(shù)點;
②測量各計數(shù)點到起始點0的距離x,記錄在表1中;
③計算兩相鄰計數(shù)點間的位移Δx,同時記錄對應(yīng)的時間Δt;
④根據(jù)Δx和Δt估算紙帶在相鄰計數(shù)點間的平均速率v。
(2)檢測瞬時速率
①從紙帶起始點0算起,前面每3個點取一個計數(shù)點;
②測量各計數(shù)點到起始點0的距離x測量平均速度的實驗原理,記錄在表2中;
③計算兩相鄰計數(shù)點間的位移Δx,同時記錄對應(yīng)的時間Δt;
④根據(jù)Δx和Δt算出的速率值就可以代表在Δx這一區(qū)間內(nèi)任意一點的瞬時速率。將算出的各計數(shù)點的速率值記錄在表2中。
3.偏差剖析
(1)借助平均速率來取代計數(shù)點的瞬時速率導(dǎo)致偏差。為減少此種偏差,應(yīng)取以計數(shù)點為中間時刻的較近的兩點間的位移Δx來求平均速率。
(2)檢測計數(shù)點間的位移Δx帶來偏差。減少此偏差的方式:一是取計數(shù)點時,相鄰兩計數(shù)點間的距離不能過??;二是一次測出各計數(shù)點到起始計數(shù)點的距離,再分別估算出各相鄰計數(shù)點間的距離。
測瞬時速率的其他方式
1.利用傳感與計算機測速度
(1)如圖1所示,是借助位移傳感檢測速率的示意圖。這個系統(tǒng)由發(fā)射器A與接收器B組成,發(fā)射器A還能發(fā)射紅外線和超聲波訊號,接收器B可以接收紅外線和超聲波訊號。發(fā)射器A固定在被測的運動物體上,接收器B固定在桌面上或?qū)к壣?。檢測時A向B同時發(fā)射一個紅外線脈沖和一個超聲波脈沖(即持續(xù)時間很短的一束紅外線和一束超聲波)。B接收到紅外線脈沖開始計時,接收到超聲波脈沖時停止計時。按照二者的時差和空氣中的波速,計算機手動算出A與B的距離(紅外線的傳播時間可以忽視)。
經(jīng)過短暫的時間Δt后,傳感和計算機系統(tǒng)手動進行第二次檢測,得到物體的新位置。算出兩個位置差,即物體運動的位移Δx,系統(tǒng)根據(jù)v=Δx/Δt算出速率v,顯示在屏幕上。所有那些操作都可以在不到1s的時間內(nèi)手動完成。這樣測出的速率是發(fā)射器A在時間Δt內(nèi)的平均速率。但是Δt很短,一般設(shè)置為0.02s,所以Δx與Δt之比可以代表此刻發(fā)射器A(即運動物體)的瞬時速率。
(2)另一種位移傳感,如圖2所示。這個系統(tǒng)只有一個不動的小盒C,工作時小盒C向被測物體D發(fā)出短暫的超聲波脈沖,脈沖被運動物體反射后又被小盒C接收。按照發(fā)射與接收超聲波脈沖的時間差和空氣中的波速,可以得到小盒C與運動物體D的距離x1、x2以及Δx和Δt,進而系統(tǒng)就能算出運動物體D的速率v。
2.借助光電門測瞬時速率
實驗裝置如圖3所示,使一輛貨車從一端墊高的木板上滑下,木板旁裝有光電門,其中A管發(fā)出光線,B管接收光線。當(dāng)固定在車上的遮光板通過光電門時,光線被抵擋,從記錄儀上可以直接讀出光線被抵擋的時間。這段時間就是遮光板通過光電門的時間。按照遮光板的厚度Δx和測出的時間Δt,就可以算出遮光板通過光電門的平均速率(v=Δx/Δt)。因為遮光板的厚度Δx很小,可以覺得這個平均速率就是貨車通過光電門的瞬時速率。
3.借助頻閃拍照法估算物體的速率
頻閃拍照法是一種借助拍照技術(shù)每間隔一定時間爆光,因而在膠卷上產(chǎn)生間隔相同時間的影像的方式。在頻閃拍照中會用到頻閃燈,它每隔相等時間閃光一次測量平均速度的實驗原理,比如每隔0.1s閃光一次,即每秒閃光10次。當(dāng)物體運動時,借助頻閃燈照明,拍照機可以拍攝出該物體每隔相等時間的像,因而記錄物體每隔相等時間所抵達的位置。通過這些方式拍攝的相片稱為頻閃相片。圖4中是采用每秒閃光10次拍攝的小球沿斜面滾下的頻閃相片示意圖,相片中每兩個相鄰小球的影像間隔的時間都是0.1s,這樣便記錄了物體運動的時間。物體運動的位移則可以用卷尺量出。與打點計時器記錄信息相比,頻閃燈的閃光頻度相當(dāng)于打點計時器交變電源的頻度,而相同時間間隔出現(xiàn)的影像則相當(dāng)于打點計時器打出的點跡。為此,運動物體的頻閃相片既記錄了物體運動的時間信息,又記錄了物體運動的位移信息。至于求平均速率和瞬時速率,與剖析打點計時器打出的紙帶時所用的方式相同。
處理實驗數(shù)據(jù)時的注意事項
(1)平均速率可由v=Δx/Δt求出。求瞬時速率時,應(yīng)該取包含該點的盡可能短的時間間隔,由平均速率取代瞬時速率,同時要注意兩點寬度離過小帶來的檢測偏差。
(2)注意相鄰兩計數(shù)點之間的時間間隔,明晰周期與頻度的關(guān)系T=1/f。
(3)注意紙帶中涉及的字母、數(shù)據(jù),以及數(shù)據(jù)的涵義、單位,不是國際單位制的,要換算成國際單位制。
(4)注意題干要求,明晰有效數(shù)字的保留規(guī)則。從右邊第一個不為零的數(shù)字起到最末一位數(shù)字止,共有幾個數(shù)字,就是幾位有效數(shù)字。