21071 二维空间—时间描迹仪

目录绪言2一、仪器简介2二、实验介绍31、研究平抛物体的运动32、斜抛物体的运动53、验证机械能守恒定律54、完全非弹性碰撞55、完

广州市捷星教学仪器有限公司坐落在具有“羊城”之称的美丽的广州。这是一家集研发，生产，销售于一体的教学仪器公司，雄厚的技术力量、先进的生产工艺、精湛的检测手段，使产品具有操作简单、优质耐用、性能稳定、外观精美、价格合理等优点。公司产品销往全国各地，以品种齐全、质量上乘、按时交货和完善的售后服务赢得了用户的一致好评，被众多院校广泛采用。

本公司主要经营的产品：中小学、高中常规教学仪器。其中包括小学数学、小学语文、小学科学、小学英语、小学美术、小学音乐、小学体育、中学数学、中学物理、中学生物、中学化学、中学音乐、中学美术、中学体育、高中数学、高中物理、高中化学、高中通用技术等科目教学仪器。

“立足创新、专注质量、诚信服务、真诚合作、超越自我，共同发展”是捷星人始终如一的追求，为客户提供优质的产品和服务是捷星永恒的方针，我们将不断超越自我，一如既往地为客户创造价值，奉行“进取、诚信、坚持、奉献”的企业精神，服务教育事业，为科教兴国助力。

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目 录

绪言……………………………………………………………………………………………………2

一、仪器简介…………………………………………………………………………………………2

二、实验介绍…………………………………………………………………………………………3

1、研究平抛物体的运动…………………………………………………………………………3

2、斜抛物体的运动………………………………………………………………………………5

3、验证机械能守恒定律…………………………………………………………………………5

4、完全非弹性碰撞………………………………………………………………………………5

5、完全弹性碰撞…………………………………………………………………………………6

6、验证向心力公式………………………………………………………………………………8

7、简谐振动（单摆）规律研究…………………………………………………………………10

8、简谐振动的图象………………………………………………………………………………11

9、自由落体运动…………………………………………………………………………………12

三、仪器使用注意事项………………………………………………………………………………13

四、仪器常见故障……………………………………………………………………………………13

五、附图………………………………………………………………………………………………14

1、电原理图………………………………………………………………………………………14

2、电路连接示意图………………………………………………………………………………15

3、仪器主体结构图………………………………………………………………………………16

4、发射枪组件……………………………………………………………………………………17

5、单摆组件………………………………………………………………………………………18

6、向心力组件……………………………………………………………………………………19

7、卷纸机…………………………………………………………………………………………20

8、基准尺、压纸条、自由落体坠子、运动体…………………………………………………21

9、研究平抛物体的运动实验装配………………………………………………………………22

10、斜抛物体的运动实验装配……………………………………………………………………23

11、碰撞实验装配…………………………………………………………………………………24

12、验证向心力公式实验装配……………………………………………………………………25

13、验证向心力公式的描迹图……………………………………………………………………26

14、简谐振动（单摆）规律研究实验装配………………………………………………………27

15、简谐振动规律研究（单摆）描迹图…………………………………………………………28

16、简谐振动的图示实验装配……………………………………………………………………29

17、振动图象描述图………………………………………………………………………………30

18、自由落体运动实验装配………………………………………………………………………31

绪 言

在高中物理力学实验中，记录空间运动的时一空信息，研究物体运动的规律是一个难点，二维描迹仪很好地解决了这个问题，使很多“定性”的实验变成的“定量”实验。使学生利用仪器控制运动产生的条件，既观察到二维运动的实际情况，又利用高压微电流脉冲，将运动的“时一空”分布图象记录在普通白纸上，为学生从记录中研究运动变化的细节，验证运动变化规律，加深对运动的认识，提供了依据。

本仪器完成下列实验：

1.研究平抛物体的运动；

2.斜抛物体的运动；

3.验证机械能守恒定律；

4.完全非弹性碰撞；

5.完全弹性碰撞；

6.验证向心力公式；

7.简谐振支（单摆）规律研究；

8.简谐振动的图象；

9.自由落体运动。

一、仪器简介

1.技术性能

一、电气部分：

（1）点频（打点频率的简称）100Hz、50Hz、20Hz。相对误差小于1%。

（2）高压脉冲强度，能击穿10mm空气隙。

(3)点迹分大、小两档可调。当输入电压为50Hz、220V时：

大点迹时，1不大于5mA；小点迹时，1不大于3mA。

上述各平均电流值，是从用电安全出发的，但也不容许其下限低于上限的f/3，以保证点迹的清晰度。

（4）工作电源 AC50Hz 220V ±20v

（5）工作环境 温度0℃-40℃

相对湿度不大于90%

一、机械部分

(1)面板共面差小于0.3mm

（2）发射枪导轨中心线与面板平等度误差小于0.5mm

（3）面板尺寸（380mm×320mm）

2、电原理图

仪器中的描迹电源的工作原理如图1所示。

仪器中各部分的连接电路如图2所示。

3、仪器结构

（一）、外形结构

二维描迹仪的主体为一箱体结构，如图3所示的是其竖放时的外观形态。

其箱框上装有：1.发射枪电磁铁的电源插孔；2.卷纸机的电源插座；3.向心力实验用高压插孔；4.描迹电源的输出频率调节开关；5.描迹电源输出的点迹大小 调节开关。

底座上装有：1.三个调平螺钉。用于调节仪器的水平。

2.一个开关，用于控制描迹电源的输出；以及描迹电源的输出与发 射枪电磁铁的释放，描迹电源的输出与卷纸机的卷纸同步功能。

（二）、附件部分

附件主要有：（1）发射枪组件；（2）单摆组件；（3）向心力组件；（4）卷纸机构；

（5）基准尺；（6）压纸条；（7）自由落体坠子；（8）运动体（抛体）；（9）塑性磁条；（10）水准仪。如图4---图8所示，具体功能将结合各个实验介绍。

二、实验介绍

注意：1.做各实验之前，均应预先详细了解实验的操作方法。

2.尽量做到：在做各上实验时，按下控制开关的同时，不要用手去触碰仪器的金属部件，以免麻手；

3.万一不小心，被高压电触一下，也不要产生畏惧心理，因本仪器采用的是高电压、微电流，对人体是安全的。

实验1 研究平抛物体的运动

1.1实验装配

1.1.1仪器竖放，装配如图9所示，先揭开金属网面板，将发射枪装在箱体面板的左方，发射枪上电磁铁的供电圆插头，插于左侧板上方的插孔（图3.6）中。

1.1.2选好运动体并调节两放电针的间距适当，将运动体放在发射枪的平直导轨上，（应调节好放电针距箱体面板和金属网板的距离，均以2mm--3mm为好）。

1.1.3装记录纸：记录纸装在导电墨粉纸（导电墨粉纸已经粘贴在金属面板上）上，记录纸是尺寸为310mm

1.2 仪器调整

1.2.1调节底座螺钉：借助水准仪，将面板调成竖直，并将发射枪调成水平，同时应使发射枪与面板平面平行。

1.2.2插上AC220V电源，将发射枪后的线扣左拉，并挂在电磁铁吸附的挂钉上，此时拉动枪杆左移10至15mm，将运动体放在发射枪的导轨上，要紧靠枪杆的左端。

1.2.3调节发射速度：用手按底座上的开关至“ON”的位置上，此时电磁铁断电，枪杆推动体向右，顺导轨一段位移后，无自转的进入自由空间作平抛运动，其落点以在右下角为宜，为此可以调节枪杆下的一块调速板，调节时松开下部的两棵螺母，即可变动电磁铁与枪尾间的距离，从而改变枪杆推动运动体的加速位移，以达到变动运动体进入自由空间的初速度，在每次调速后都要将固紧螺母拧紧。

1.2.4调节放电针：将运动体放在发射枪的导轨上，盖上金属网面板，调节放电针的螺钉，将放电针调节距记录纸与金属网约2、3mm处即可。

1.3 描迹

1.3.1试描迹：试描迹时，先将白纸取下，将运动体靠放在待发的发射枪撞针右端后，盖好金属网面板，将频率输出置于10Hz，点迹用小或大（演示时用大），用手按下按钮开关，同时注意观察运动体的动态。

在手按下开关时，高压脉冲由金属网经运动体上的放电针，在电霸电墨粉纸上放电。在每一次作电火花放电时，电磁铁断电，枪杆推动运动体作平抛运动，可由电炎花明显的观察到运动体的动态。若是电火花所显示的轨迹不完整，则应检查轨道或转道近处（20mm内）有无障碍物（近旁的磁体也要影响动态），面板平直与否，发射枪的竖直面与面板平行与否，纸面是否有显著的绉纹等，在电火花所显示的轨迹完整后，即可装上记录用白纸进行描迹，白纸也要紧贴平整。

1.3.2描迹：描迹前先用基准尺，在记录白纸上画出抛出点的X轴、Y轴的参考基线，画完线后将基准尺推入发射枪后，要重点检查描迹的起点，先看纸与面板是否紧贴，再查近旁的磁条距轨迹是否太近，起点的影响是zui大的。

具体的描迹过程与试描迹相似，不再重述。

1.4 数据整理

取下白纸，看点迹是否完整，若不完整应先找出原因，更正后应重新描迹，对一完整的描迹记录的整理依次为：

1.4.1点迹编号：在记录纸上，取运动体进入自由空间的一点标为“0”，以后依自然数标号。（可用大头针将点迹刺穿，点迹即可转印到纸的正面。也可将基准线转印到反面，而点迹不刺穿，直接在白纸的背面做数据整理。）

1.4.2作竖直线及水平线。（水平线是过“0”点作X轴基准线的平行线即可。过“0”点作其的垂直线即为竖直线）

1.4.3根据△t=0.1秒，研究水平方向是否为匀速直线运动，如果是，则求出水平初速度V0：竖直方向是否为自由落体运动。

实验2 斜抛物体的运动

平抛是抛体运动的一种特殊形式，它们之间是有其共同的规律，先认识平抛而后认识斜抛，这也就是从特殊到一般，实验时的难点在于保持抛体不自转，抛体的轨道与板面平行，且不能碰及。

2.1 仪器装配

将发射枪装于左边偏下的位置上，如图10所示，其它的与平抛相同，不再重述。

2.2 仪器调节

斜抛实验，对运动体的初速度要稍大一些，一般需要枪杆推动的加速度位移在20mm以上。

2.3 描迹

也应在装白纸前作试描迹，待轨道形态满意，由电火花所展示的动态完整后，再装白纸作正式描迹，描迹前要盖好金属网面板。

2.4 数据整理

2.4.1点迹编号

斜抛物体的运动轨迹一上一下，较平抛的数据更为丰富，在记录纸上对数据进行编号及作辅助线的方法与平抛时的作法一样。

2.4.2作竖直线与水平线

与平抛记录上的作线方法相同。

实验3 验证机械能守恒定律

这里用二维描迹实验中的抛体运动作为分析研究的测试对象，因则所用的仪器及使用方法已经在前面实验中介绍了。可以取一张平抛或斜抛的描迹结果，进行数据整理和研究，验证机械能守恒。

实验4 完全非弹性碰撞

运动体在自由空间的水平速度为一定值，这为我们用它来测定物体碰撞后的速度提供了方便，用二维描迹仪进行这一实验，可避免物体转动能量与移动能量间的转换，这在只计移动能量的现行高中力学教材中，可使实验的科学性更加严谨。

4.1仪器装配

将仪器竖放，调整面板竖直。

选以塑料为主体，无放电针的运动体作为受碰物体MB，将其放于发射枪导轨的右端点处，再选有放电针的以塑料为主体的运动体作为碰撞时的主动体MA，由发射枪来推动。

选发射枪推动加速的位移约20至30mm，选好后将调速板下的两个螺母旋紧，待发射前的形态如图11所示。

频率输出选用50Hz，点迹在演示时用大，学生实验时用小，记录白纸用100mm×280mm，装于板面下部。

4.2 描迹

在完全非弹性碰撞中，经描迹后要得到的是碰撞前MA的速度VA；碰撞后两物体粘在一起运动的速度V故完全非弹性碰撞的待测速度有两个，需在保持同样的发射条件下，作两次描迹，描迹前要盖好金属网面板。

4.2.1求碰撞后粘在一起的速度的描迹

描迹前MA紧靠发射枪撞针，用手按底座上的开关按钮，高压脉冲由金属网经MA上的放电针后，在记录纸上放电、描迹。

在放电时，枪杆推动MA经一段加速成后，枪杆受阻停止，MA再经一段距离后与原来静止在导轨右端点的MB碰撞并粘合在一起，共同前进。描迹的结果为碰撞后的“时一空”分布图象，取下白纸编号作V′。

4.2.2示碰前MA速度的描迹

需另装一张记录纸，保持发射枪推动MA的加速位移不变，在发射枪导轨上不放MB，将MA放于紧靠待发的枪撞针顶端。这样的描迹，因MA被发射后的水平速度保持不变，它与上述有碰撞前MA速度V相同，描迹后的记录标为V。

4.3采集数据

4.3.1量出两次记录中0.04秒的水平位移S及S′，记入表4.1中。（注意：若输出频率不同，则△t不同！）

4.3.2称出MA与MB的重量，记入表4.1中。

表4.1 MA= MB= △t=0.04秒

次序	水平位移（米）		水平速度（米/秒）		碰前总动量（千克·米/秒）	碰后总动量（千克·米/秒）
	S	S′	V	V′	P=MAV+MB×0	P′=(MA+MB)V′
1
2
3

实验5 完全弹性碰撞

实验中为了碰撞中减少能量损失，让相碰两物体的碰撞通过弹簧进行。

5.1仪器装配

如图11所示装配仪器，与前一实验不同这处是MA换为有弹簧的金属为主的运动体，MB选用塑料为主、且有放电针的运动体；其他部分与前一实验相同。

5.2描迹

弹性碰撞的待测速度有三个，因而需要保持同样发射条件下，作三次描迹，每次各用记录白纸。（描迹前盖好金属网面板。）

5.2.1测碰前MA速度VA的描迹

将MA紧按于待发的枪撞针右方，放电针在正常位置上，不放MB，使MA保持一定的水平速度作描迹记录，纸标号为VA′。

5.2.3测碰后MB的速度VB′的描迹

这次描迹与前项不同的只是：将MA的放电针调短，而将MB的放电针恢复正常位置，在描迹时只记下MB的“时一空”轨迹，记录纸标号为VB。

以上三次描迹都应作到发射枪对MA的加速度位移相同，从而使MA离开枪尖时的速度VA相等。

5.3采集数据

5.3.1量出三次记录中0.04秒的水平位移SA、SA′及SB′记入表5.1只

5.3.2称出MA及MB的重量，记入表5.1中。

表5.1 MA= MB= △t=0.04秒

次序	水平位移 （米）			水平速度 （米/秒）			碰前总动量 （千克·米/秒）	碰后总动量 （千克·米/秒）
	SA	SA′	SB′	VA	VA′	VB′	P=MA VA +MB×0	P′=MA VA′+MB VB′
1
2
3

续表5.1

次序	碰前总动能 (焦耳)	碰后总动能 (焦耳)
	EX= MA VA2/2+0	EX= MA VA′2/2+ MB VB′2/2
1
2
3

广州市捷星教学仪器有限公司坐落在具有“羊城”之称的美丽的广州。这是一家集研发，生产，销售于一体的教学仪器公司，雄厚的技术力量、的生产工艺、精湛的检测手段，使产品具有操作简单、优质耐用、性能稳定、外观精美、价格合理等优点。公司产品销往各地，以品种齐全、质量上乘、按时交货和完善的售后服务赢得了用户的一致好评，被众多院校广泛采用。

本公司主要经营的产品：中小学、高中常规教学仪器。其中包括小学数学、小学语文、小学科学、小学英语、小学美术、小学音乐、小学体育、中学数学、中学物理、中学生物、中学化学、中学音乐、中学美术、中学体育、高中数学、高中物理、高中化学、高中通用技术等科目教学仪器。

“立足创新、专注质量、诚信服务、真诚合作、超越自我，共同发展”是捷星人始终如一的追求，为客户提供优质的产品和服务是捷星永恒的方针，我们将不断超越自我，一如既往地为客户创造价值，奉行“进取、诚信、坚持、奉献”的企业精神，服务教育事业，为科教兴国助力。

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