电磁打点计时器的调整及其相关实验研究
讲义
地点：C517
一、教学目的
1．了解电磁打点计时器和示波器的结构、原理。
2．学会检验、调整电磁打点计时器的方法。
3．掌握处理电磁打点计时器纸带数据的方法。
4．掌握用电磁打点计时器进行“研究匀变速运动规律”的实验方法。
二、实验器材
J0203型电磁打点计时器及其附件，6V 交流电源，示波器，起子、纸带，J2108型斜面小车，砝码（钩码）。
三、思考题
回顾或查阅资料熟悉中学物理教学中与电磁打点计时器有关的实验，了解电磁打点计时器的结构、原理和使用注意事项，了解示波器的使用方法，以及处理纸带的方法，并思考以下问题。
1．电磁打点计时器是中学物理实验中的一种基本仪器，它的基本功能是什么？它的工作原理是什么？
2．电磁打点计时器的工作状态是否正常，通常从哪几个方面来评价？请设计实验方案检验打点计时器工作是否正常。
3．在中学物理教学中有哪些实验应用了电磁打点计时器？
4．以“研究匀变速直线运动”为例，设计实验方案（说明实验器材、实验步骤，以及实验注意事项等）。
5．纸带处理的方法有哪些？有哪些注意事项。
三、实验内容
（一）电磁打点计时器的结构与工作原理
1．结构
J0203型电磁打点计时器的构造如图所示，胶木底板上有一个线圈，线圈两端与电源接线柱相接。永久磁钢上的两块磁极片，3是钢质振动片，它位于两磁
极片的间隙中间并穿过线圈，其一端由调整螺丝固定在底板小台上，另一端悬着，悬端装有打点针。纸带穿过限位孔紧贴打点基板，圆形复写纸装在螺钉上，压在纸带上，压纸框架压在复写纸上。
2．工作原理
打点计时器线圈接上6V 交流电源后，成为一个通电螺线管，产生交变磁场，并使振动片磁化为一个薄的磁性交变的条形磁铁。振动片因此受到永久磁铁磁场的交变力作用而作周期振动。当振动片悬端向打点基板运动，使打点针与基板的复写纸撞击后，在纸带上就打下了一个点。通入的交流电变化一个周期，打点器就打下一个点。J0203型打点器用6V 交流市电，电源频率为50Hz ，即周期为0.02秒。用这种打点器打出的实验纸带，除起始点外，每相邻两点间的时间间隔为0.02秒。
（二）电磁打点计时器的检验与调整实验
电磁打点计时器工作状态是否正常，通常从三个方面来评价：打点频率的稳定性（等时性）、打点质量、打点器给纸带的阻力的大小。电磁打点计时器的检验和调整也可以从这三个方面来进行。
●打点频率的稳定性检验与调整
评价打点器工作是否正常的三个方面是互有联系、互有影响的，但打点等时性差对纸带质量、实验结果的影响最大。打点等时性可以根据匀变速直线运动规律和自由落体运动规律来检验，也可以用下述方法检验。
（1）用示波器检验
按图连接电路。用导线将电磁打点计时器的振动片和打点基板（限位板）分别接在示波器的“Y 输入”和“地”的接线柱上。
接通示波器的电源，待其
正常工作后，当打点器不打点
（打点针不接触基板）时，电路
断开，“Y 输入”端因感应有
50Hz 交变电流，在示波器屏幕
上就出现50Hz 的正弦波形；当
打点器打点（打点针接触基板）
时，示波器的“Y 输入”端短路，
感应电压不能输入示波器，此时示波器屏幕上只出现一条水平线。打点器工作时，每个打点周期里打点针都要瞬时地接触打点基板，因此示波器“Y 输入”端的感应电压也是周期性地瞬时为零，这样屏幕上就出现一条有缺口的正弦波形。
【问题1】你认为应如何根据示波器的图像分析打点计时器工作是否正常呢？
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（2）打点频率稳定性的调整
①造成打点频率不稳定的一些原因
我们知道，振动片除了受到一个永久磁铁所给的随电源的交变周期而周期性
变化的磁力作用外，还受到一个打点基板所给的周期性的“瞬时”反作用力；只
有当两个力的合力是与交变磁力相似的交变力、或是一个变化周期稳定的周期性变化的力，振动片的振动频率才会稳定、才会与电源频率相同。要做到这一点就要求打点器各部件的参数，如永久磁钢的磁场强度、两磁极片间距、线圈匝数、振动片的弹性系数和长度等等，都要很好地匹配。一般来说，仪器厂在设计制造时各部件的结构及参数都匹配好了，但之后由于种种原因可能造成打点频率不稳定。常见的原因有下述几种：
一些固定部件移位，特别是由于安装不好或固定螺钉松动而使振动片“移位”；振动片的固有频率发生了变化或与电源频率不一致了，固有频率的变化主要是有效振动长度的变化；打点针过长或打歪、损坏等。
一般情况下，调整打点器使之打点频率稳定主要是要解决上述问题。 ②打点频率的调整
在固定部件完好、位置正常、打点针无损的情况下，调整打点频率主要是调整振动片的固有振动频率和打点针长度（即打点针与基板的间距）。一般来说，振动片的弹性系数，即振动片上冲压的V 形槽最好不要改变，因此，调整振动片的固有频率，主要是调整振动片的有效振动长度。
比较简便的调整方法是：①移走纸带和复写纸，缩短打点针的长度；②松开固定螺钉，稍微改变振动片的长度（振动片缩短1mm ，其固有频率约增加1Hz ），旋紧螺钉，重复这一步骤，使振动片悬端振动幅度最大为止；③逐步增长打点针长度，并作适当的比较、微调，使打点针打在基板上的声音很清脆。
固定螺钉的松紧程度会影响有效振动长度，因此，每次调试时都应把它旋紧。但是，有时为了快捷地调整打点频率，上述第②步可直接通过调节固定螺钉的松紧程度而使振动片振幅最大。固定螺钉共有两个，调节时应保持离打点针远的一个螺钉旋紧不动而改变另一个螺钉的松紧。
上述调整方法如果能将打点器按上图所示连接，通过示波器进行监视，使电压波形在一个周期里出现一个缺口，则调整更可靠。
●打点质量的检验及调整
打点质量的好坏直接影响对纸带数据的测量及测量误差。按打点器的技术要求，当纸带的移动速度小于或等于3m/s时，纸带上点子的长度不允许超过0.3mm ，点需清晰可辨。打出的点子质量差通常主要表现在五个方面：①点子拖
长（称拖尾）；②靠得很近的双点（称重点）；③漏点；④点过粗；⑤点过淡。
在打点器打点频率已经调整好的情况下，出现①、②的原因主要是打点针长了些（与基板近了些），只需将打点针稍微缩短些。如果在调整打点频率时用示波器监视，只要使X 增益增大些，从波形上就可发现（在扫描迹线上的“点”拖长或出现“双点”），在调整打点频率时就可克服。出现③的原因主要是打点针短了些，只需将打点针稍微放长些。出现④的原因主要是打点针太钝，应稍磨尖些。出现⑤的原因主要是打点针短了些或复写纸复印效果差，应将打点针稍微放长些，将复写纸移动一下或换新的复写纸。在上述调整过程中，若改变了打点针的长度，应再打一条纸带看一下效果，当然，最好如上图那样，在示波器监视下调整。
●打点阻力大小的检验和调整
按打点器的技术要求，当打点器正常工作时，纸带通过打点器时受到的平均阻力应不大于3克力。检验纸带所受的阻力可用与“验证牛顿第二定律”相似的实验方法或用“用落体法测重力加速度”的实验结果来判断（方法略）。
打点频率调整好后，如果纸带受到的阻力太大，一般情况下主要有两个原因：①压纸框架压得太紧；②打点针尖过于尖锐。对于①可调节框架上的螺钉，使之压得松一些，只要复写纸能随着纸带的移动而稍微转动就行；对于②可用细砂纸磨一下针尖（但也不要使针尖太钝）。
（三）研究匀变速直线运动的实验
1．实验目的
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2．实验器材与装置
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【问题2】实验装置中斜面木板是否水平对实验结果是否有影响？
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3．操作步骤及注意事项
4．数据处理要求
通过对纸带数据的分析处理，可以对匀加速直线运动作如下研究：
【问题3】如何判断小车是否作匀加速直线运动？有几种方法，分别说明如何判断？
【问题4】如果小车做的是匀加速直线运动，那么，如何求匀加速直线运动的加速度的大小，有几种方法？
电磁打点计时器的调整及其相关实验研究
讲义
地点：C517
一、教学目的
1．了解电磁打点计时器和示波器的结构、原理。
2．学会检验、调整电磁打点计时器的方法。
3．掌握处理电磁打点计时器纸带数据的方法。
4．掌握用电磁打点计时器进行“研究匀变速运动规律”的实验方法。
二、实验器材
J0203型电磁打点计时器及其附件，6V 交流电源，示波器，起子、纸带，J2108型斜面小车，砝码（钩码）。
三、思考题
回顾或查阅资料熟悉中学物理教学中与电磁打点计时器有关的实验，了解电磁打点计时器的结构、原理和使用注意事项，了解示波器的使用方法，以及处理纸带的方法，并思考以下问题。
1．电磁打点计时器是中学物理实验中的一种基本仪器，它的基本功能是什么？它的工作原理是什么？
2．电磁打点计时器的工作状态是否正常，通常从哪几个方面来评价？请设计实验方案检验打点计时器工作是否正常。
3．在中学物理教学中有哪些实验应用了电磁打点计时器？
4．以“研究匀变速直线运动”为例，设计实验方案（说明实验器材、实验步骤，以及实验注意事项等）。
5．纸带处理的方法有哪些？有哪些注意事项。
三、实验内容
（一）电磁打点计时器的结构与工作原理
1．结构
J0203型电磁打点计时器的构造如图所示，胶木底板上有一个线圈，线圈两端与电源接线柱相接。永久磁钢上的两块磁极片，3是钢质振动片，它位于两磁
极片的间隙中间并穿过线圈，其一端由调整螺丝固定在底板小台上，另一端悬着，悬端装有打点针。纸带穿过限位孔紧贴打点基板，圆形复写纸装在螺钉上，压在纸带上，压纸框架压在复写纸上。
2．工作原理
打点计时器线圈接上6V 交流电源后，成为一个通电螺线管，产生交变磁场，并使振动片磁化为一个薄的磁性交变的条形磁铁。振动片因此受到永久磁铁磁场的交变力作用而作周期振动。当振动片悬端向打点基板运动，使打点针与基板的复写纸撞击后，在纸带上就打下了一个点。通入的交流电变化一个周期，打点器就打下一个点。J0203型打点器用6V 交流市电，电源频率为50Hz ，即周期为0.02秒。用这种打点器打出的实验纸带，除起始点外，每相邻两点间的时间间隔为0.02秒。
（二）电磁打点计时器的检验与调整实验
电磁打点计时器工作状态是否正常，通常从三个方面来评价：打点频率的稳定性（等时性）、打点质量、打点器给纸带的阻力的大小。电磁打点计时器的检验和调整也可以从这三个方面来进行。
●打点频率的稳定性检验与调整
评价打点器工作是否正常的三个方面是互有联系、互有影响的，但打点等时性差对纸带质量、实验结果的影响最大。打点等时性可以根据匀变速直线运动规律和自由落体运动规律来检验，也可以用下述方法检验。
（1）用示波器检验
按图连接电路。用导线将电磁打点计时器的振动片和打点基板（限位板）分别接在示波器的“Y 输入”和“地”的接线柱上。
接通示波器的电源，待其
正常工作后，当打点器不打点
（打点针不接触基板）时，电路
断开，“Y 输入”端因感应有
50Hz 交变电流，在示波器屏幕
上就出现50Hz 的正弦波形；当
打点器打点（打点针接触基板）
时，示波器的“Y 输入”端短路，
感应电压不能输入示波器，此时示波器屏幕上只出现一条水平线。打点器工作时，每个打点周期里打点针都要瞬时地接触打点基板，因此示波器“Y 输入”端的感应电压也是周期性地瞬时为零，这样屏幕上就出现一条有缺口的正弦波形。
【问题1】你认为应如何根据示波器的图像分析打点计时器工作是否正常呢？
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（2）打点频率稳定性的调整
①造成打点频率不稳定的一些原因
我们知道，振动片除了受到一个永久磁铁所给的随电源的交变周期而周期性
变化的磁力作用外，还受到一个打点基板所给的周期性的“瞬时”反作用力；只
有当两个力的合力是与交变磁力相似的交变力、或是一个变化周期稳定的周期性变化的力，振动片的振动频率才会稳定、才会与电源频率相同。要做到这一点就要求打点器各部件的参数，如永久磁钢的磁场强度、两磁极片间距、线圈匝数、振动片的弹性系数和长度等等，都要很好地匹配。一般来说，仪器厂在设计制造时各部件的结构及参数都匹配好了，但之后由于种种原因可能造成打点频率不稳定。常见的原因有下述几种：
一些固定部件移位，特别是由于安装不好或固定螺钉松动而使振动片“移位”；振动片的固有频率发生了变化或与电源频率不一致了，固有频率的变化主要是有效振动长度的变化；打点针过长或打歪、损坏等。
一般情况下，调整打点器使之打点频率稳定主要是要解决上述问题。 ②打点频率的调整
在固定部件完好、位置正常、打点针无损的情况下，调整打点频率主要是调整振动片的固有振动频率和打点针长度（即打点针与基板的间距）。一般来说，振动片的弹性系数，即振动片上冲压的V 形槽最好不要改变，因此，调整振动片的固有频率，主要是调整振动片的有效振动长度。
比较简便的调整方法是：①移走纸带和复写纸，缩短打点针的长度；②松开固定螺钉，稍微改变振动片的长度（振动片缩短1mm ，其固有频率约增加1Hz ），旋紧螺钉，重复这一步骤，使振动片悬端振动幅度最大为止；③逐步增长打点针长度，并作适当的比较、微调，使打点针打在基板上的声音很清脆。
固定螺钉的松紧程度会影响有效振动长度，因此，每次调试时都应把它旋紧。但是，有时为了快捷地调整打点频率，上述第②步可直接通过调节固定螺钉的松紧程度而使振动片振幅最大。固定螺钉共有两个，调节时应保持离打点针远的一个螺钉旋紧不动而改变另一个螺钉的松紧。
上述调整方法如果能将打点器按上图所示连接，通过示波器进行监视，使电压波形在一个周期里出现一个缺口，则调整更可靠。
●打点质量的检验及调整
打点质量的好坏直接影响对纸带数据的测量及测量误差。按打点器的技术要求，当纸带的移动速度小于或等于3m/s时，纸带上点子的长度不允许超过0.3mm ，点需清晰可辨。打出的点子质量差通常主要表现在五个方面：①点子拖
长（称拖尾）；②靠得很近的双点（称重点）；③漏点；④点过粗；⑤点过淡。
在打点器打点频率已经调整好的情况下，出现①、②的原因主要是打点针长了些（与基板近了些），只需将打点针稍微缩短些。如果在调整打点频率时用示波器监视，只要使X 增益增大些，从波形上就可发现（在扫描迹线上的“点”拖长或出现“双点”），在调整打点频率时就可克服。出现③的原因主要是打点针短了些，只需将打点针稍微放长些。出现④的原因主要是打点针太钝，应稍磨尖些。出现⑤的原因主要是打点针短了些或复写纸复印效果差，应将打点针稍微放长些，将复写纸移动一下或换新的复写纸。在上述调整过程中，若改变了打点针的长度，应再打一条纸带看一下效果，当然，最好如上图那样，在示波器监视下调整。
●打点阻力大小的检验和调整
按打点器的技术要求，当打点器正常工作时，纸带通过打点器时受到的平均阻力应不大于3克力。检验纸带所受的阻力可用与“验证牛顿第二定律”相似的实验方法或用“用落体法测重力加速度”的实验结果来判断（方法略）。
打点频率调整好后，如果纸带受到的阻力太大，一般情况下主要有两个原因：①压纸框架压得太紧；②打点针尖过于尖锐。对于①可调节框架上的螺钉，使之压得松一些，只要复写纸能随着纸带的移动而稍微转动就行；对于②可用细砂纸磨一下针尖（但也不要使针尖太钝）。
（三）研究匀变速直线运动的实验
1．实验目的
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2．实验器材与装置
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【问题2】实验装置中斜面木板是否水平对实验结果是否有影响？
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3．操作步骤及注意事项
4．数据处理要求
通过对纸带数据的分析处理，可以对匀加速直线运动作如下研究：
【问题3】如何判断小车是否作匀加速直线运动？有几种方法，分别说明如何判断？
【问题4】如果小车做的是匀加速直线运动，那么，如何求匀加速直线运动的加速度的大小，有几种方法？