黎 明 汪永根

(余姚市夢麟中學(xué) 浙江 寧波 315400)

1 學(xué)生實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)疑問

2018年，筆者所在的學(xué)校引入了一些新的實(shí)驗(yàn)裝置，其中就有21051軌道式打點(diǎn)小車，該儀器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，因此，在上“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”這節(jié)實(shí)驗(yàn)課時(shí)，筆者就啟用了這套實(shí)驗(yàn)儀器．在上課過程中，由于一個(gè)小組的不規(guī)范操作，在驗(yàn)證摩擦力是否平衡好時(shí)，打出了一條別樣的紙帶．如圖2所示，點(diǎn)跡稀稀拉拉，漏點(diǎn)嚴(yán)重，并且點(diǎn)跡顏色也比較淡．課后，筆者對(duì)學(xué)生得到的這條別樣的紙帶很是好奇，并進(jìn)行了深入的研究．(注：筆者之后研究的點(diǎn)跡都是小車做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)打出的．)

圖1 21051軌道式打點(diǎn)小車的結(jié)構(gòu)

2 學(xué)生操作還原點(diǎn)跡

筆者課后仔細(xì)地了解學(xué)生的操作過程，并將學(xué)生的操作過程簡化為如圖3所示，小車底部的放電針接高壓脈沖的負(fù)極，軌道上的銀白色金屬板接高壓脈沖的正極，金屬板的上方放置黑色墨粉紙，墨粉紙上方再放置白色紙帶．這樣接通電源，釋放小車就會(huì)得到如圖2所示的點(diǎn)跡．

圖3 學(xué)生操作過程簡化示意圖

3 集思廣益大膽假設(shè)

筆者與本校的物理教師交流并收集了一系列資料，大膽猜想之所以出現(xiàn)圖2所示的點(diǎn)跡，原因有以下3點(diǎn).

(1)放電針接負(fù)極，金屬板接正極時(shí)，空氣的電離不僅發(fā)生在放電針附近，同時(shí)金屬板上由于粗糙不平而使電場局部集中的地方也會(huì)發(fā)生空氣的電離，即在金屬板粗糙不平區(qū)域產(chǎn)生相迎流注，兩個(gè)地方的空氣電離不斷發(fā)展，直到最后相遇完成主放電[3]．因此金屬板的粗糙不平對(duì)放電產(chǎn)生重大影響，在實(shí)驗(yàn)中筆者曾多次觀察到火花放電是在放電針和金屬板邊緣的粗糙不平區(qū)域完成的，火花放電并沒有經(jīng)過墨粉紙和紙帶所在的區(qū)域，因此無法在紙帶上留下點(diǎn)跡，這是造成漏點(diǎn)的主要原因．

(2)由于墨粉紙?jiān)谙旅婕垘г谏厦妫垘系狞c(diǎn)跡是靠墨粉紙與金屬板所夾區(qū)域的空氣電離，正離子向上運(yùn)動(dòng)經(jīng)過墨粉紙后使墨粉顆粒帶正電，高溫熔化后帶正電的墨粉顆粒在電場力的作用下向上運(yùn)動(dòng)到達(dá)紙帶，從而在紙帶上留下點(diǎn)跡．這種打點(diǎn)方式主要是靠墨粉紙和金屬板所夾區(qū)域的空氣電離，這個(gè)區(qū)域的空氣電離主要是依靠金屬板粗糙不平而使電場局部集中產(chǎn)生的，而金屬板上粗糙不平的位置相對(duì)不固定，因此打出的點(diǎn)跡不平直，跳躍幅度較大．

(3)金屬板粗糙不平處的電場強(qiáng)度相對(duì)于放電針附近的電場強(qiáng)度較小[3]，導(dǎo)致作用在墨粉紙上的電場力也相對(duì)較小，能夠帶動(dòng)的墨粉量就比較少，因此打出的點(diǎn)跡也相對(duì)較淡．

4 巧設(shè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想

為了驗(yàn)證猜想，筆者設(shè)計(jì)了以下兩個(gè)實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)一如圖4所示，小車底部的放電針接負(fù)極，金屬板接正極，將紙帶放在金屬板的上方，而墨粉紙放在紙帶的上方．此時(shí)由于墨粉紙?jiān)谏?，紙帶在下，需要放電針與墨粉紙之間的空氣電離，產(chǎn)生的負(fù)電荷在電場的作用下向下運(yùn)動(dòng)到達(dá)墨粉紙上，使高溫熔化的墨粉顆粒帶負(fù)電，并在電場力的作用下繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)到達(dá)紙帶，在紙帶上留下點(diǎn)跡．這種打點(diǎn)方式主要依靠放電針與墨粉紙之間的空氣電離，這塊區(qū)域的電離基本不受金屬板粗糙不平處電場的影響，所以打出的點(diǎn)如圖5所示點(diǎn)跡跳躍幅度較小，并且基本不漏點(diǎn)．

圖4 實(shí)驗(yàn)一示意圖

實(shí)驗(yàn)二如圖6所示，小車底部的放電針接正極，金屬板接負(fù)極，金屬板上方放置墨粉紙，墨粉紙上方放置紙帶．當(dāng)放電針接正極，金屬板接負(fù)極時(shí)，放電針附近的強(qiáng)電場將空氣電離，電子迅速跑向放電針，而正離子因?yàn)橘|(zhì)量比電子大得多，移動(dòng)緩慢，所以正離子大量聚集．而在正離子聚集區(qū)的強(qiáng)電場又將下方空氣電離，同理在下方區(qū)域又有大量正離子聚集，周而復(fù)始，正離子不斷向下方區(qū)域推進(jìn)，最后與金屬板接觸產(chǎn)生火花放電，因此這種接法放電針與金屬板之間的放電通道是豎直的，基本不偏[3]，所以這種接法打出的點(diǎn)跡如圖7所示，基本不漏點(diǎn)且點(diǎn)跡基本保持平直．另外正離子聚集區(qū)下方的電場強(qiáng)度也相對(duì)圖2情況較大，墨粉紙與金屬板附近空氣電離后的負(fù)電荷通過墨粉紙向上運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠帶動(dòng)的墨粉量較多，因此打出的點(diǎn)跡也相對(duì)于圖2較濃．

圖6 實(shí)驗(yàn)二示意圖

圖7 實(shí)驗(yàn)二中打出的紙帶

通過以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的多次驗(yàn)證，點(diǎn)跡的效果均要好于圖1所示的點(diǎn)跡，基本不再漏點(diǎn)，點(diǎn)跡也基本保持平直，并且點(diǎn)跡的顏色也相對(duì)較濃，因此可以證明筆者的猜想是正確的．

5 應(yīng)用結(jié)論優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都對(duì)圖2的方案進(jìn)行了一定的改良，也不同程度地提高了點(diǎn)跡的效果，既然如此，不妨將兩種改良方式結(jié)合起來，是否點(diǎn)跡效果會(huì)更好呢？

筆者又設(shè)計(jì)了如圖8所示的接法，將小車底部的放電針接正極，金屬板接負(fù)極，將紙帶放在金屬板上方，墨粉紙放在紙帶的上方．這種接法的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)消除了金屬板粗糙不平處的影響，從而消除了漏點(diǎn)．

(2)當(dāng)放電針附近空氣電離后正離子不斷向下推進(jìn)時(shí)，正離子聚集區(qū)的電場強(qiáng)度是非常大的，當(dāng)正離子聚集區(qū)經(jīng)過墨粉紙后，由于電場強(qiáng)度非常大，能夠帶動(dòng)的墨粉量較多，因此打出的點(diǎn)跡如圖8所示，是這幾種情況中最濃的．

(3)這種接法的放電針和金屬板之間的放電通道是豎直的，也消除了點(diǎn)跡跳躍的缺點(diǎn)．經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)之后，點(diǎn)跡基本如圖9所示，對(duì)比之前的幾條紙帶，可以看到圖9所示的紙帶點(diǎn)跡相對(duì)最濃，而且完全不漏點(diǎn)且點(diǎn)跡跳躍幅度較?。?/p>

圖8 改良后的實(shí)驗(yàn)示意圖

綜上所述，用電火花計(jì)時(shí)器的高壓脈沖輸出和墨粉紙?jiān)诩垘洗螯c(diǎn)時(shí)，高壓脈沖正極要接在放電針上，墨粉紙要靠近放電針，這樣才能得到最好的點(diǎn)跡效果．目前筆者通過改造電火花計(jì)時(shí)器的電源模塊，使它能在熱敏紙上打出點(diǎn)跡，不需要再使用墨粉紙帶，打點(diǎn)效果更好．

通過上述研究，筆者不僅弄清楚了21051軌道打點(diǎn)式小車的打點(diǎn)原理，而且還優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)方案，使學(xué)生在處理實(shí)際的紙帶問題時(shí)不會(huì)因?yàn)槁c(diǎn)或點(diǎn)跡不清得到錯(cuò)誤的結(jié)論．

6 結(jié)束語

21051軌道打點(diǎn)式小車是一套全新的儀器，相對(duì)于傳統(tǒng)的木板小車和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的組合，21051軌道打點(diǎn)式小車有著它的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在著問題，只有不斷地研究才能發(fā)現(xiàn)問題，才能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)效果，才能跟上新時(shí)代學(xué)生的學(xué)習(xí)需求．