2019-2020年人教版必修一1.4《实验：用打点计时器测速度》WORD教案14.doc

2019-2020年人教版必修一1.4实验：用打点计时器测速度WORD教案14一、运动与计时互相干扰 电磁打点计时器工作时，由市电经线圈引起磁场的周期变化，策动弹片带动打点针，在运动体拖动的纸带上，以50赫芝频率打点.电磁打点计时器的打点针对运动中的纸带产生冲击和摩擦，干扰了纸带的运动，这在自由落体实验中尤为显著。 电火花计时器利用高压脉冲火花放电，放电针与纸带没有接触，因而不会干扰纸带运动。 2排除运动对计时的干扰 电磁打点计时器的计时周期会受到纸带运动的干扰，对此我们进行以下分析和实验。以振子向下打点过平衡位置的作为o相位，这样在纸带上打点时的相位将在附近稍小于的一点上，只要打点能保持在同一相位上，打点的20ms周期的等时性就能保证。当纸带静止时，若电磁打点计时器调节适当，打点的等时性得到保证。但是当纸带运动时，受到打点针冲击作用的纸带对振子也产生反作用，从而影响到打点时相位产生显著漂移，结果破坏了打点的等时性。 二、操作性能的改善 1减少调节，提高工作可靠性 使用电磁打点计时器时，对打点相位的调节，常常是一般师生难以掌握的技术难点；对已调好的计时器，在使用中因随环境因素而改变，即使耗费大量时间与精力调节，也常常难以调好，从而降低了工作的可靠性，降低了实验的置信度和课时利用率。 使用电火花计时器时由于不需要上述调节，一般学生在2一5分钟内便能采集到实验数据，从而可以使学生的精力集中到控制实验现象产生的条件，以及研究分析运动规律上去。 2安全性能的突破 电磁打点计时器在使用中是没有安全问题的。电火花打点计时长期不能在教学中使用的关键之一是安全问题。早期的电火花打点计时器、其记录灵敏度低下，依赖于电火花在白纸上烧孔，其电压大于6kV，电流达80mA，对人是有生命危险的。后来用热敏纸，电压也大于6kV，电流为5至20mA，也是极不安全的。我们采用的打点记录方法，是一种与电场描绘及传真记录相类似的微电流转印方法，其电压虽然高达3万伏，但电流控制在200A以下，从而解决了使用电火花计时器时的安全问题。 三、实验成本 电磁打点计时器是一种低成本教学仪器，它的价格和实验消耗都比较低。八十年代初，电火花计时器与电磁打点计时器之间的价格比在10：1以上，材料消耗比在50：1以上（前者用热敏纸时），经过长期研究改进，我们终于找到了图2所示的电路，在充电放电上都利用市电的相位信息，使电路大为简化，使两种产品的价格比低于2：1。由于电火花计时器不用低压电源（学生电源），而电磁打点计时器要用配套的学生电源，计时仪器中国古代的计时仪器有太阳钟和机械钟两类。太阳钟是以太阳的投影和方位来计时，分别以土圭、圭表、日晷为代表。由于地球轨道偏心率以及地球倾角的影响，真太阳时和平太阳时是不一致的，机械钟应运而生，代表有水钟、香篆钟、沙漏。钟表的发展钟表的发展公元1300年以前，人类主要是利用天文现象和流动物质的连续运动来计时。例如，日晷是利用日影的方位计时；漏壶和沙漏是利用水流和沙流的流量计时。 东汉张衡制造漏水转浑天仪，用齿轮系统把浑象和计时漏壶联结起来，漏壶滴水推动浑象均匀地旋转，一天刚好转一周，这是最早出现的机械钟。北宋元祜三年(1088)苏颂和韩公廉等创制水运仪象台，已运用了擒纵机构。 1350年，意大利的丹蒂制造出第一台结构简单的机械打点塔钟，日差为1530分钟,指示机构只有时针；15001510年，德国的亨莱思首先用钢发条代替重锤，创造了用冕状轮擒纵机构的小型机械钟；1582年前后，意大利的伽利略发明了重力摆；1657年，荷兰的惠更斯把重力摆引入机械钟，创立了摆钟。 1660年英国的胡克发明游丝，并用后退式擒纵机构代替了冕状轮擒纵机构；1673年，惠更斯又将摆轮游丝组成的调速器应用在可携带的钟表上；1675年，英国的克莱门特用叉瓦装置制成最简单的锚式擒纵机构，这种机构一直沿用在简便摆锤式挂钟中。 1695年，英国的汤姆平发明工字轮擒纵机构；1715年，英国的格雷厄姆又发明了静止式擒纵机构，弥补了后退式擒纵机构的不足，为发展精密机械钟表打下了基础；1765年，英国的马奇发明自由锚式擒纵机构，即现代叉瓦式擒纵机构的前身；17281759年，英国的哈里森制造出高精度的标准航海钟；17751780年，英国的阿诺德创造出精密表用擒纵机构。 1819世纪，钟表制造业已逐步实现工业化生产，并达到相当高的水平。20世纪，随着电子工业的迅速发展，电池驱动钟、交流电钟、电机械表、指针式石英电子钟表、数字式石英电子钟表相继问世，钟表的日差已小于0.5秒，钟表进入了微电子技术与精密机械相结合的石英化新时期。中国计时仪器史年表纪 元 朝 代 计时仪器史 主要文献 公元前23572258年 尧 圭表、日晷测时已达相当高的精度 殷墟出土卜辞“尚书尧典” 公元前722221年 春秋战国 中国的漏壶记时已达很高的水平 “周礼”、“初学记”、唐孔款达“诗疏” 公元前201公元9年 西汉 日晷和漏刻计时同时使用 “前汉书”、“中国科学技术史”滴、清梅文鼎“日晷”备考三考 公元85年 东汉 浮子和漏箭 “玉函山房辑佚书”、张衡“漏水转浑天仪制” 公元132年 东汉 张衡制漏水浑天仪 “晋书” 公元450 公元450 李兰制“停表刻漏”，又名“马上奔驰” “初学记” “初学记” 梁 殷夔制漫水或恒定水位漏 殷夔“漏刻法” 公元660年 隋 耿询、宇文恺制大称式刻漏，献于隋炀帝 “玉海”卷十一、“国史志”、“宋史” 公元665年 唐 吕才制“多壶式受水壶刻漏” “事林广记”、“六经图” 公元618906年 唐 唐代盛行赤道式日晷，并于十七世纪前传入欧洲 元杨禹“山居新话”、“中国科学技术史”、清梅文鼎“日晷”备考三考 公元725年 唐 梁令瓒，一行制擒纵机构 “新唐书天文志”、“中国科学技术史” 公元1030年 北宋 燕肃制“莲花漏” 初学记 公元1135年 金 出现复式多壶漫流刻漏 “六经图”、“大清会典” 公元1050年 北宋 舒易简、于渊、周宗制皇祐刻漏 “初学记” 公元1074年 北宋 沈括革新皇祐漏刻 沈括“梦溪笔谈”、“浮漏仪” 公元1090年 北宋 苏颂、辅公濂制水运仪像台 “新仪像法要” 公元1250年 南宋 “香篆”钟和灯钟记时在中国广为流行 洪刍“香谱”、杨禹“山居新话” 公元1260年 元 地平式日晷由西方传入（携带式日晷） “元史天文志”、“中国科学技术史” 公元1276年 元 郭守敬制“周公测景台”、“大明殿灯漏” “元史天文志” 公元1313年 宋 宋代农夫已开始使用田漏 王祯“农书”、“中国刻漏”、梅晓臣“田漏” 公元1316年 元 杜子威、冼运行制广州铜壶滴漏 “广州延祐铜壶记” 公元1360年 元 詹希元制五轮沙漏 “明史天文志”、宋濂“五轮沙漏铭” 公元1580年 明 西方传教士罗明坚将自鸣钟传入中国 “中国天主教史” 公元1600年 明 明末吉坦然制“通天塔”（自鸣钟） “宣城县志”卷二十七 公元1745年 清 丁傅欲重建广州镇海楼自鸣钟 “雪桥县志”卷九 公元1773年 清 清宫“作钟处”仿制改造机械时钟 清史档案 公元1796年 冯义和制“更钟” 存南京博物院 1太阳钟在历史的长河中，天文学和计时学是相伴发展的，可以说有了天文学，也就有了计时学，计时仪器和天文仪器一样，是经过漫长的发展历程逐渐精确化的。最古老的计时仪器是土圭、圭表和日晷，其原理是通过太阳的投影和方位计时，一般通称太阳钟。1.1土圭土圭是最古老的计时仪器，是一种构造简单，直立的地上的杆子用以观察太阳光投射的杆影，通过杆影移动规律、影的长短，以定冬至、夏至日。“尚书尧典”中记述土圭始于尧帝时期，即公元前2357-2258年，史学界认为“尧典”不是尧时写的，是周代史官根据传闻编写，后经春秋战国（公元前72世纪）时儒家陆续补订而成。因此我们可以认为，至迟在公元前7世纪掌管天地四时的官吏已使用土圭分出二分二至，确定一年为366天。到殷商时代（公元前15201030年）测时已达到相当高的精度，其干支记日法一直延用到今天。1.2圭表由于土圭的构造简单，不易掌握，所以逐渐发展为圭表。“隋书天文志”将圭表的创造追溯到公元6世纪：南北朝梁武帝天监年间（公元503519年）祖（祖冲之之子）造八尺高的铜圭表，观测圭上表影的长短，测订时间。但1965年江苏仪征东汉墓（公元25220年）出土了一件青铜铸的圭表，这说明圭表的创制和使用要早于记载几百年。待到“元史天文志”对圭表的形制、构造、材质都有详尽的记述。元初郭守敬按照圭表的原理在河南登封建立了高耸的观星台，在大都（今北京）设置了圭表。明正统二年至七年（公元14371442年）在北京古观象台建造圭表，清乾隆九年（公元1744年）重修并加以改进。古代圭表是用来判断方向，测定季节，四季划分和推算历法，对农业生产发展起到重要作用。1.3日晷日晷又称晷仪，也是观测日影记时的仪器，它与圭表的区别是：圭表的根据日影的长短判别方向测定季节、全年日数和冬至、夏至就在的日子，推算历法等；日晷的应用，主要是根据日影的位置，以指定当时的时辰或刻数，是我国古代较为普遍使用的计时仪器，但在史籍中却少有记载，现在史料中最早的记载是“汉书律历志制汉历”一节：太史令司马迁建议共议“乃定东西，主晷仪，下刻漏”，而“汉书艺文志”中列有晷书34卷，但仅存书名，而无内容。“隋书天文志”中记载了耿询的成就，“观测日晷和刻漏，是测天地正仪象的根本”。“明史天文志”对日晷的形制，定时之法都有详细的记载。较之圭表，它已复杂多了，可以说是一种真正的仪器了，发展到清代，不仅可以计时用，日晷本身已成为一件装饰艺术品。中国太阳钟的历史上，指极表或指极针的发现可上溯到公元前四世纪，而周汉之间的12时辰制是非常先进的，在公元前四世纪以前已成为一种不变的时制。唐代的赤道式日晷，是所有日晷中计时最准确的。后经阿拉件人或犹太人将其传入西方，十七世纪时赤道式日晷风行于欧洲，人们称它为“二分式日晷”。明末之后，中西各种日晷在社会上广泛使用，种类之多，前所未有。山西姚乔林是十八世纪著名的日晷制作家，其流派远播广东。总之，太阳钟横跨人类历史数千年，在使用中不断发展和进步，为社会的发展，科学技术的进步起到了推动的作用，不仅可以计时，而且能求得标准时间，甚至可以校对现代的钟表。2我国机械时钟的发展历程日晷所测的是真太阳时或视太阳时，因为地球轨道偏心率以及地球倾角的影响，真太阳时和平太阳时是不一致的。因此，不依靠太阳测时的方法成为事实，而且更为重要。欧洲在十四世纪早期，机械钟出现以前，主要靠日晷计时，而中国对水钟或刻漏则十分重视，并发展成为一种文化，达到登峰造极的地步。为机械钟表的诞生作了科学和技术上的准备。 2.1水钟 水钟在中国又叫做“刻漏”，“漏壶”。根据等时性原理，滴水记时有两种方法，一种是利用特殊容器记录把水漏完的时间（泄水型），另一种是底部不开口的容器，另一种是底部不开口的容器，记录它用多少时间把水装满（受水型）。中国的水钟，最先是泄水型，后来泄水型与受水型同时并用或两者合一。自公元85年左右，浮子上装有漏箭的受水型漏壶逐渐流行，甚至到处使用。 从公元二世纪张衡的时代，到公元六世纪耿询的时代，使表演用的浑天仪和天球仪转动起来的水钟技术孕育了早期机械钟的出现。公元25年，一行和梁令瓒发明了擒纵机构，这种装置实质上就是早期的机械时钟，早于欧洲六个世纪。中国的浑仪在长期的发展过程中往往形式上是天文观测仪器，而本质上是时钟装置，因为从张衡的时代起，天文技术人员一直想做一种缓慢放置的齿轮，以便达到与天上的周日视运动步调一致。公元725年一行和梁令瓒实质上解决了这一难题，因此，皇室对设在宫中放置不停的天球（天文钟）感兴趣是毫不奇怪的。 公元10881090年，苏颂和他的同事们在开封建立的水运仪像台是机械时钟和观测用浑仪的完美结合，在原理上是成功的，因此，可以说他比罗伯特、胡克先行六个世纪，比方和斐先行七个半世纪。 2.2香篆钟 水钟尽管是有发展前途的，但是古人仍在广泛的领域进行不竭探索，在某些情况下，也可能有其他较水钟更为准确的计时方法，据宋代学者薛季宣说，除日晷刻漏之外，有一种香篆钟于十二世纪中叶在中国流行。荷兰高罗培著“狄仁杰断案传奇”中，记述了唐宫计时用的香篆钟为梅花形黄铜盘，盘子内梅花五瓣，各缭绕着一圈盘香，用以计时焚薰，称为“五孕祥云”。 2.3沙漏 当水温和水质直接影响了水钟的使用和准确性时，人们不得不另辟蹊径，十三世纪詹希元制五轮沙漏，是一种更高级的以沙为动力的机械时钟，足以证明，此类较简单的漏，我国古代劳动人民早就能够制造。 公元1762年郭守敬的赤道式浑仪，虽然比1090年苏颂的仪器更为精密，但没有什么本质上的区别。但他在数学、机械、天文仪器以及他在1276年制造的“大明殿灯漏”（脱离天文仪器的机械时钟），不愧为世界上著名的元代科学家。3关于我国计时仪器史的讨论十四世纪六十年代，我国的机械时钟已经脱离了天文仪器而独立了，不仅有复杂的传动系统棗齿轮系，还有擒纵调速部件棗天关、天锁和轴叶等，钟面和指针代替了怀抱时辰牌或漏箭的木偶人。倘能继续努力，就可以把利用水的恒定流量或沙的力量为动力的状态改变为重锤、发条之类，很快就可以敲开现代钟表的大门，使我国钟表技术有更大的飞跃，使我国在计时仪器制造史上居于前列，十分令人惋惜的是，没有做到这一点。主要原因有：3.1我国数千年来的封建统治束缚了生产力的发展，作为生产力中最重要的科学技术不仅不受重视，还被视为异端邪说。“礼记五制”中就曾规定：“（以）奇技奇器以疑众，杀。”如李时珍写“本草纲目”，宝贵资料被毁，几乎被置于死地。明太祖平元年间，司天监进水晶刻漏，中设二木偶人，按时自击钲鼓，太祖以其无益而碎之。十五世纪初，伟大航海家郑和本可以早一百年就完成哥伦布征服非洲的功业。诚然遭到当局的阻止。那时的中国人缺少动机，中国的经济不需要国外贸易。3.2我国十五世纪以前的时钟，原意不是为公众计时用，而是要向君王表演天文学原理，如谯楼大钟。具有若干个齿轮和一种擒纵调节器速机构，而这种的当初设计是来调节皇帝诏书的颁发，以应天体运转，制造“君权神授”的舆论。3.3官僚阶级的出现以及他们只受文学教育，无意于技术进步，注重压制商人，岂不知只有靠商人开拓新的市场，才能促进各项技术的进步。3.4利玛窦在北京住宅开设私人钟表展览会，轰动了在朝的翰林学士，高官显宦，督抚司道，一时门庭若市，争相观瞻，花巨资购买西方自鸣钟，于是西洋钟表逐渐占领中国市场，中国传统的机械钟的发展更加缓慢了。3.5十七世纪初至鸦片战争前后二百多年中，我国钟表的发展可称是第二个极盛时期，其战略是“学洋仿制，中西结合，自成体系”。可惜由于封建统治制度的衰落及帝国主义列强的侵略，这个大好时期很快结束了。又过了一个世纪，随着新中国的诞生，我国的钟表业才进入了第三个兴盛时期。钟表技术获得迅速发展。4关于中国计时仪器史的考证中国计时仪器史是一部断代史，几千年来留下科技史料很少，致使历史上很多计时仪器的发现、发明者及其年代有待进一步考证，由于中国官僚士大夫阶级只受文学教育，贸下了大量的诗、词、曲、赋，近年来科技史工作者从诗词曲赋中考证中国计时仪器史，取得了可喜的成果。而且仅仅是开始，今后会有更多的考证成果面世。