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1、1111.4实验：用打点计时器测速度（相关素材）搜集人：张成进 江苏徐州睢宁魏集中学打点计时器与电磁打点计时器的比较一、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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、
8、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
9、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”、“
10、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
11、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
12、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14
13、371442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
14、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
15、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
