打点计时器实验

1、研究物体匀变速直线运动
实验仪器：打点计时器、交流电源(电火花打点计时器—220V，电磁打点计时器—4～6V)、纸带、小车、轨道、细绳、钩码、刻度尺、导线
实验原理:打点计时器上同时记录了时间和位置两个信息，通过s，t可以判断物体是否匀变速，若是可以求得其加速度；
数据处理方法。

（纸带处理）
实验步骤：(1)把附有滑轮的轨道放在实验桌上，并使滑轮伸出桌面，把打点计时器固定在轨道没有滑轮一端，连接好电路；再把细绳拴在小车上，细绳跨过滑轮，下边挂上合适的钩码；把纸带穿过打点计时器，并把它的一
端固定在小车的后面(若是电火花打点计时器，用两个纸带分别从上下两边穿过墨粉纸盘)。

(2)把小车停在靠近打点计时器处，接通电源后，放开小车，让小车拖着纸带运动，打点计时器就在纸带上
打下一系列的点，换上新纸带，重复三次。

(3)从三条纸袋中选择一条比较理想的纸带，舍掉开头比较密集的点，在后边便于测量的地方找一个开始点，
并把每打五个点的时间作为时间的单位，即T=0.02×5=0.1s，在选好的开始点下面记作0，第六点作为计数
点1，依次标出计数点2、3、4、5、6。

两相邻计数点间的距离用刻度尺测出分别记作s1、s2 (6)
(4)求出a的平均值，它就是小车做匀变速直线运动的加速度。

注意事项：
(1)小车的加速度宜适当大些，可以减小长度的测量误差。

(2)细绳尽可能与木板平行，以确保细绳对小车拉力不变；
(3)开始释放小车时，小车应尽量靠近打点计时器
(4)先通电后放开小车
(5)要区别计时器打出的点与人为选取的计数点（一般把计时器打出的5个点作为一个计数点），选取的计数点不少于6个；
(6)若为电磁打点计时器（f打点=f电源，电源频率越大，针与纸带摩擦越大，a越小），若出现连续直线，则抬高针；若为电火花则无针与纸带的摩擦。

纸带运动时不要让纸带与打点计时器的限位孔摩擦。

(7)不要分段测量各段位移，尽可能的一次测量完毕(可先统一量出到记数起点之间的距离)。

纸带处理：
(1)“逐差法”求加速度（若测得6段相邻点间位移，设两计数点时间间隔为T）
a= [(s6+s5+s4)-(s3+s2+s1)]/9T2。

(2)“平均速度法”求瞬时速度（需先判断物体做匀变速运动，才可用时间中点公式）
v n= (s n+s n+1)/2T。

纸带的应用：验证牛二、动能定理、机械能守恒
2、验证牛顿第二定律
实验目的：1、学会用实验的方法探究物体的加速度与力、质量的关系，即质量一定时，加速度与作用力成正比；作用力一定时，加速度与质量成反比。

2、掌握用控制变量法研究问题的实验方法
实验仪器：电磁打点计时器、复写制片和纸带、一端带滑轮的长木板、小车、小桶、沙子、低压交流电源、天平、砝码、刻度尺、导线两条
实验原理：控制参量ｍ一定，研究ａ与Ｆ的关系；控制参量Ｆ一定，研究ａ与ｍ的关系。

实验步骤：(1)用天平测出小车质量m，在砂桶内加适量的砂，用天平测出砂和桶的总质量m1(要保证m1≤0.05m，或小车的质量远大于砂和桶的总质量)。

把打点计时器固定在长木板上。

(2)把纸带系在小车上，并使纸带穿过打点计时器。

把木块垫在装有打点计时器的木板一端下面，调节木块
位置使小车能在木板上做匀速运动。

这时，小车所受摩擦阻力与小车所受重力沿斜面方向的分力平衡(注
意此时未挂砂桶)。

(3)把系在砂桶上的细线绕过木板上的定滑轮后系在小车上，把小车放在打点计时器附近，接通电源，放开
小车，便在纸带上留下反映小车运动状况的点迹。

取下纸带并编上号码。

(4)给小车换上新纸带，保持小车质量不变。

往砂桶内加一些砂，并称出其质量(注意仍需保证m>>m1)。

重
复步骤(3)。

如此做几次。

对各次实验所得的纸带取好计数点，进行测量和计算，求出每条纸带对应的小
车的加速度，分别记入上面的表格中。

图像法：用纵坐标表示加速度ａ，横坐标表示作用力Ｆ，作用力
的大小Ｆ等于重物的重力，根据实验结果在坐标平面上画出相应的点，如果这些点是一条过原点的直线
上，便证明了加速度与作用力成正比。

(5)保持砂桶总质量m1不变，往小车上依次加不同数目的砂袋(其质量预先测出)，重复步骤(3)几次。

把各次
纸带数据记入下面的表格中。

用纵坐标表示加速度ａ，横坐标表示小车和砝码总质量的倒数，根据实验
结果在坐标平面上画出相应的点。

如果这些点是在一条过原点的直线上，就证明了加速度与质量成反比。

(6)分析实验数据，看是否符合牛顿第二定律。

注意事项：
(1)平衡摩擦力：采用上述“垫板法”平衡摩擦力（未挂沙桶）改变小车质量和绳子拉力均不需再调。

这是因为摩擦力和小车所受重力沿斜面方向的分力总是成正比地变化的。

调匀速时，先进行目测，最后应打一条纸带观察，看是否调到匀速了。

（系统误差）
(2)为了保证m>>m1，小车质量应足够大。

（系统误差）
(3)如果平衡摩擦力做得不好，则图像不会通过坐标原点(平衡过度：直线上移；平衡不足：直线下移)；如果不满足m>>m1的条件，图像将会是一条曲线（趋于平缓）。

出现后一种情况时，可以采用保证运动系统(小车和砂桶)的总质量不变来消除。

办法是，预先在小车内装几个小砝码，在需要改变加速的力时，把这些砝码移少量到砂桶内。

只要摩擦力能得到较好的平衡，就可以得到过坐标原点的直线。

不过，在计算质量时，应把砂桶的总质量考虑在内。

(4)绳子平行于斜面，桶应该稳定，不要晃动（偶然误差）
(5)改变重物和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，再放开小车，且应在小车到达滑轮前按住小车。

（偶然误差）
3、探究动能定理
实验目的：探究恒力做功与物体动能改变的关系
实验仪器：附有定滑轮的长木板，薄木板，小车、细线，砝码盘及砝码，打点计时器、低压交流电源，导线，天平，毫米刻度尺，纸带及复写纸带；
实验目的：验证在外力作用下物体做加速运动或减速运动时，动能增量等于合外力所做的功。

实验原理：利用验证牛二的装置，测出力对物体作不同的功时物体动能的变化，从而得到恒力做功与物体动能改变的关系
实验步骤
１用天平测出小车质量ｍ，并记录
２按实验图安装装置，调定滑轮高度，使细线与木板平行
３平衡摩擦力：在长木板的不带定滑轮的一端下面垫薄木块，
并反复移动其位置，直到小车在斜面上匀速运动为止。

４在砝码盘中加砝码（要使小车的质量远大于砝码的质量），
把纸带的一端固定在小车的后面，另一端穿过打点计时器，取
下纸带并标记使用的砝码质量
５重复步骤４，打２－３条纸带；
６选一点迹清晰的纸带分析数据，记录需要的数据
注意事项：
1 砝码和砝码盘的总质量要远小于小车的质量（若对系统用动能定理（动能中的质量用M+m）则不需要满足这个要求）
2 平衡摩擦力时，砝码盘中不要加砝码，但应连接着纸带且接通电源
3 小车所受阻力f应包括小车受的摩擦力和打点计时器对小车后所拖纸带的摩擦力
4 小车应靠近打点计时器，并且要先接通电源后再放开小车
4、验证机械能守恒定律
实验目的：验证机械能守恒定律。

实验仪器：打点计时器及电源、重锤、纸带、复写纸片、刻度尺、带有铁夹的铁架台、导线
实验原理：在只有重力做功的自由落体运动中，物体的重力势能和动能可以相互转化，但机械
能守恒，利用打点计时器在纸带上记录物体自由下落的高度h及计算出瞬时速度v，
从而验证重力势能的减少量与物体动能的增加量相等。

Mgh=1/2 mv2-o 即gh=1/2 v2
实验步骤：
1 将实验装置按要求装好，将纸带固定在重物上，让纸带穿过打点计时器；
2 先用手提起纸带，使重物静止在靠近计时器的地方
3 接通电源，松开纸带，让重物自由下落，这样就在纸带上打下一系列点,重复几次
4 从已打出纸带中，选出第一、二点间的距离接近2mm（计算得出的第一个点）并且点迹清晰的纸带进行测量。

5 在挑选的纸带上，记下第一点的位置O，并在纸带上从任意点开始一次选取1、2、3、4 ……并量出各点到O的距离，
即下落的h1、h2、h3……
6 求出V2、V3、V4…..
7比较gh与1/2v2，依次比较
注意事项：
(1)实验中打点计时器的安装，两纸带限位孔必须在同一竖直线上，以减少摩擦阻力。

(2)实验时必须先接通电源，让打点计时器工作正常后才能松开纸带让重锤落下。

(3)纸带上端最好不要悬空提着，而要用手按在墙上，这样可保证下落的初速度为零，并且纸带上打出的第一个点是清晰的一个小点。

(4)测量下落高度时，都必须从起始点算起，为了减小测量h值的相对误差，选取的各个计数点要离起始点远些，纸带也不宜过长，有效长度可在60cm-80cm以内。

(5)因不需要知道动能的具体数值，因此不需要测量重物的质量m。

误差分析：
(1)误差来源——打点计时器的阻力、空气阻力[系统误差:动能增量小于势能减少量]、长度测量。

(2)减小误差方法——纸带下的重物重量要大些，体积要小；测距离时都应从0点量起，多测几次取平均值。