1.实验步骤
(1)把电磁打点计时器固定在水平桌面上,纸带穿过限位孔,把复写纸套在定位轴上,而且压在纸带里面;
(2)把电磁打点计时器的两个接线柱接到8V的低压交变电源上;
(3)接通电源,用手水平带动纸带,使纸带在水平方向上运动,纸带上就打下一系列点,此后立刻关掉电源。
2.数据处理
(1)检测平均速率
①选取纸带上一点为起始点0,前面每5个点取一个计数点,分别用数字1,2,3,…标出那些计数点;
②测量各计数点到起始点0的距离x,记录在表1中;
③计算两相邻计数点间的位移Δx,同时记录对应的时间Δt;
④根据Δx和Δt估算纸带在相邻计数点间的平均速率v。
(2)检测瞬时速率
①从纸带起始点0算起,前面每3个点取一个计数点;
②测量各计数点到起始点0的距离x测量平均速度的实验原理,记录在表2中;
③计算两相邻计数点间的位移Δx,同时记录对应的时间Δt;
④根据Δx和Δt算出的速率值就可以代表在Δx这一区间内任意一点的瞬时速率。将算出的各计数点的速率值记录在表2中。
3.偏差剖析
(1)借助平均速率来取代计数点的瞬时速率导致偏差。为减少此种偏差,应取以计数点为中间时刻的较近的两点间的位移Δx来求平均速率。
(2)检测计数点间的位移Δx带来偏差。减少此偏差的方式:一是取计数点时,相邻两计数点间的距离不能过小;二是一次测出各计数点到起始计数点的距离,再分别估算出各相邻计数点间的距离。
测瞬时速率的其他方式
1.利用传感与计算机测速度
(1)如图1所示,是借助位移传感检测速率的示意图。这个系统由发射器A与接收器B组成,发射器A还能发射红外线和超声波讯号,接收器B可以接收红外线和超声波讯号。发射器A固定在被测的运动物体上,接收器B固定在桌面上或导轨上。检测时A向B同时发射一个红外线脉冲和一个超声波脉冲(即持续时间很短的一束红外线和一束超声波)。B接收到红外线脉冲开始计时,接收到超声波脉冲时停止计时。按照二者的时差和空气中的波速,计算机手动算出A与B的距离(红外线的传播时间可以忽视)。
经过短暂的时间Δt后,传感和计算机系统手动进行第二次检测,得到物体的新位置。算出两个位置差,即物体运动的位移Δx,系统根据v=Δx/Δt算出速率v,显示在屏幕上。所有那些操作都可以在不到1s的时间内手动完成。这样测出的速率是发射器A在时间Δt内的平均速率。但是Δt很短,一般设置为0.02s,所以Δx与Δt之比可以代表此刻发射器A(即运动物体)的瞬时速率。
(2)另一种位移传感,如图2所示。这个系统只有一个不动的小盒C,工作时小盒C向被测物体D发出短暂的超声波脉冲,脉冲被运动物体反射后又被小盒C接收。按照发射与接收超声波脉冲的时间差和空气中的波速,可以得到小盒C与运动物体D的距离x1、x2以及Δx和Δt,进而系统就能算出运动物体D的速率v。
2.借助光电门测瞬时速率
实验装置如图3所示,使一辆货车从一端垫高的木板上滑下,木板旁装有光电门,其中A管发出光线,B管接收光线。当固定在车上的遮光板通过光电门时,光线被抵挡,从记录仪上可以直接读出光线被抵挡的时间。这段时间就是遮光板通过光电门的时间。按照遮光板的厚度Δx和测出的时间Δt,就可以算出遮光板通过光电门的平均速率(v=Δx/Δt)。因为遮光板的厚度Δx很小,可以觉得这个平均速率就是货车通过光电门的瞬时速率。
3.借助频闪拍照法估算物体的速率
频闪拍照法是一种借助拍照技术每间隔一定时间爆光,因而在胶卷上产生间隔相同时间的影像的方式。在频闪拍照中会用到频闪灯,它每隔相等时间闪光一次测量平均速度的实验原理,比如每隔0.1s闪光一次,即每秒闪光10次。当物体运动时,借助频闪灯照明,拍照机可以拍摄出该物体每隔相等时间的像,因而记录物体每隔相等时间所抵达的位置。通过这些方式拍摄的相片称为频闪相片。图4中是采用每秒闪光10次拍摄的小球沿斜面滚下的频闪相片示意图,相片中每两个相邻小球的影像间隔的时间都是0.1s,这样便记录了物体运动的时间。物体运动的位移则可以用卷尺量出。与打点计时器记录信息相比,频闪灯的闪光频度相当于打点计时器交变电源的频度,而相同时间间隔出现的影像则相当于打点计时器打出的点迹。为此,运动物体的频闪相片既记录了物体运动的时间信息,又记录了物体运动的位移信息。至于求平均速率和瞬时速率,与剖析打点计时器打出的纸带时所用的方式相同。
处理实验数据时的注意事项
(1)平均速率可由v=Δx/Δt求出。求瞬时速率时,应该取包含该点的尽可能短的时间间隔,由平均速率取代瞬时速率,同时要注意两点宽度离过小带来的检测偏差。
(2)注意相邻两计数点之间的时间间隔,明晰周期与频度的关系T=1/f。
(3)注意纸带中涉及的字母、数据,以及数据的涵义、单位,不是国际单位制的,要换算成国际单位制。
(4)注意题干要求,明晰有效数字的保留规则。从右边第一个不为零的数字起到最末一位数字止,共有几个数字,就是几位有效数字。