“探究功与速度变化的关系”实验的改进

摘 要：采用改装的J0201数字计时器，等间距放置4个光电门探究功与速度变化的关系，该方法充分利用现有实验器材，实验方法简单，不需要平衡摩擦力，不需要纸带等实验耗材，实验误差小。

关键词：数字计时器;功与速度变化;光电门;扩展

《物理教学探讨》2019年第2期曾刊登刘诗雨等的文章“‘探究功与速度变化的关系’实验的改进”，该文利用朗威DISLab和4个光电门采用“等间距”放置光电门，钩码牵引小车做功使小车速度变化，从而探究功与速度变化的关系。但朗威DISLab实验套件在很多学校并未配置（有些没有配置4个以上光电门），因而无法进行这样的实验。鉴于此，本人通过分析本校配置的J0201数字计时器电路，成功扩展了光电门数量，用J0201数字计时器和光电门做“探究功与速度变化的关系”实验，因为数字计时器只配备了两个光电门接口，采用这种方法必须将光电门数扩展到4个以上。

一、扩展光电门数

J0201数字计时器的核心器件是8051单片机，该仪器主板简化电路如图1所示。从光电门输入的检测信号经U1A或U1B（型CD40106）反相后进入二选一模拟开关U2（CD4053），两路输入在程序控制下分时进入U3的中断输入端口INT1。在光电门没有挡光的情况下，接收管处于饱和导通状态，U1A、U1B输入低电平，反相后输出高电平，而程序设定U3的INT1端为下降沿中断（开始计时），所以此时为等待状态。任意一只接收管被挡光瞬间，U1A或U1B输入由低电平变为高电平，反相输出端为高电平变低电平（即下降沿），触发INT1中断开始计时。J0201数字计时器能记忆最后十次数据，且任意光电管档光瞬间触发计时，利用这一点，J0201数字计数器最多可将光电门数目扩展到10个。

二、改装方法

以扩展“光电门1”接口为例，首先应将图1中的R1（100kΩ）上端由接+5v改为接地（GND），保证未接光电门时U1A输入端为低电平。扩展电路如图2所示，图中只画出了两组光电门，实际可扩展多组，以竖虚线为界每一段为一组，包括红外发射、接收电路。R3、R5为发射管限流电阻，T1、T2为红外接收光敏三极管，（因光敏三极管的基极未引出，所以只有两个引脚，外封装与光敏二极管相似，要注意区分）。R4、R6分别为T1、T2负载电阻。

该方法简单易行，基本不改动主电路板。笔者已改装成功，将一个接口挂接4组光电门用于实验中。注意改装后“光电门2”接口仍需插接上光电门2并且不能被档光，否则会干扰“光电门1”正常工作。

三、实验装置

实物如图3

实验器材包括：J0201数字计时器，J2183轨道小车一套，经过改装的光电门，质量为20克的钩码一个，0.9米左右的直方木条一根，宽2厘米长10厘米的薄铝条一根，细线一根。

四、用数字计时器“探究功与速度变化的关系”实验原理、方法

（一）实验原理：

如图4所示，在A、B、C、D、E5个位置上等间距放置5个光电门，其中A位置的光电门没有与接口连接，仅起指示小车初始位置的作用。

B、C、D、E4個光电门接入数字计时器1接口。5个光电门用螺钉等间距固定在长直方木条上（保证光电门高度一致），与J2183铝合金轨道平行放置。宽2厘米的薄铝条弯成“几”字弯，用螺丝钉固定在小车前方左侧边缘（用于挡光），钩码通过细线跨过定滑轮牵引小车运动。

小车从静止开始经过A-E各个光电门，通过铝条挡光时间和铝条宽度测算出小车经过光电门时的即时速度（铝条有一定的宽度，实际是铝条经过光电门时的平均速度）。

小车在运动过程中受力情况没有发生变化，各光电门间距相等，因而外力（包括摩擦力在内）在各段对小车做的功是相等的（记作w）。因此，不必计算每段做功的具体数值，也不需要平衡摩擦力。

（二）实验方法：

1.按图3所示摆放实验器材，各光电门连接至J0201数字计时器光电门接口1。

2.钩码通过细线跨过定滑轮连接至小车前端。

3.小车放置水平轨道上，挡光片置于（紧挨着）第一个光电门边缘。

4.释放小车，记录小车上挡光片经过各光电门的挡光时间。

五、数据处理

笔者实验所用的器材，铝条挡光片宽度为2厘米，相邻光电门间距为18厘米。

小车质量194.5克，钩码质量20克。其它实验数据如表1

以上数据经过EXCEL软件以速度、速度的平方为横坐标做功为纵坐标，作图像见图5、图6所示。

从图6可知w—v²图像是一条经过原点的直线，即w∝v²。

结束语：以J0201数字计时器和光电门做上述实验，充分开发利用现有实验器材，简化实验过程，不需要平衡摩擦力，一次实验就可以获得所需实验数据，节约时间用于数据分析。不需要实验纸带利于环保。并且提高了精度，很容易得出功与速度变化的关系。

参考文献

[1]人民教育出版社课程教材研究所，物理课程教材研究中心普通高中课程标准实验教科书物理必修2[M]北京：人民教育出版社，2010：69-71

[2]刘诗雨、余雪妹.探究功与速度变化的关系实验的改进[J].物理教学探讨，2019（2）：49-52

[3]曹卫华.优化实验设计培养创新能力探究功与速度变化的关系实验的改进与教学实践[J]中学物理，2012（4）：46-47

作者简介：潘隆军（1964-），男，中学高级教师，主要从事中学物理教学工作。