四 了解仪器的调整方法与分析其作用和原理

仪器在实验使用前应该处于最佳工作状态。要判别是否处于最佳工作状态，需作检验。要使仪器回复到最佳工作状态，就需调整。检验和调整仪器不仅需要了解其方法，而且要分析其作用和原理，知其所以然。对此， 必须引起重视。

电磁打点计时器的检验与调整

电磁打点计时器是中学力学实验中的常用仪器。J0230 型电磁打点器的构造如图 5－14 所示。胶木底板上有一个线圈 1，线圈两端与电源接线柱 8 相接。2 是永久磁钢上的两块磁极片。3 是钢质振动片，它在两磁极片的间隙中间并穿过线圈 1，其一端由调整螺丝 9 固定在底板小台上，另一端悬着，悬端装有打点针 6。17.5mm 的纸带 12 穿过限位孔紧贴打点基板。圆形复写纸 11 装在螺钉 10 上，压在纸带上。压纸框架 7 压在复写纸上。

打点器线圈接上 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做周期振动。当振动片悬端向打点基极运动， 使打点针与基板上的复写纸撞击后，在纸带上就打下了一个点。通入的交

流电变化一个周期，打点器就打下了一个点。J0203 型打点器用 6V 交流市电，电源频率为 f0=50Hz，即 T0=0.02s。用这种打点器打出的实验纸带，

除起始点以外，每相邻两点间的时间间隔为 0.02s。

电磁打点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。电磁打点器的检验和调整也可以从这三个方面进行。

1. 电磁打点器打点频率稳定性的检验

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①也可以用下述方法检验。

1. 用示波器检验。

检验装置如图 5-15 所示。打点器振动片固定端和打点基板分别与示波器“Y 输入”和“地”端连接；同时，通过 R1，R2（可取 R1=100kΩ，R2=10k

Ω）的分压电路，使部分正弦交流电压在示波器“Y”、“地”两输入端（如果不用分压电路，由于交流市电的感应，“Y 输入”端也有一定的感应电压，屏幕上也能显示出 50Hz 市电的正弦电压波形；但由于各种干扰，正弦波形常较差，有时会妨碍检验观察）。调节示波器，使屏幕上呈现 1 个周期（或 1～2 个周期）的稳定的电压波形。拿走纸带和复写纸，使打点针接触基板，“Y 输入”和“地”两端短路，则屏幕上仅出现一条扫描迹线。打点器工作时，打点针瞬时接触基板，“Y 输入”端的电压也瞬时为

零，则示波器屏幕上的正弦波形上就出现一个缺口，缺口的相位正好对应每个周期内打点针接触基板的时刻（由于线圈的电感和磁滞等作用，打点时刻不是在波形曲线的极大和极小位置），如图 5－16 所示。由于打点针瞬时接触基板，缺口常不很清楚，但能清楚看到对应于“缺口”的在“扫描迹线”上的一个点，因此，可由这“点”的位置来判断“缺口”的位置。

如果打点周期稳定，正弦波形上的缺口位置也稳定。如果打点周期不稳定，则波形上缺口位置也不稳定（如跳跃变化），或一个周期的正弦波形内缺口的数目多于一个。缺口的个数越多、缺口位置变化的幅度越大，

打点周期的等时性就越差。除如图 5－15 所示装置外，还可用如图 5－17 所示装置：从“Y 输入”、“地”端直接输入 50Hz 低频信号。在这里，如果打点周期稳定，那么，当打点频率（市电频率）等于 50Hz 时，缺口稳定不动；当打点频率小于或大于 50Hz 时，缺口将向左或向右匀速地移动（但一个周期内仍为一个缺口，不影响对打点周期稳定性的判断）；两频率相差愈大，移动速度也愈大。如果低频信号源频率微调有示数，那么，可通过微调使缺口稳定，并由此判断打点频率的大小，进而判断当打点周期仍

为 1 秒算时所引起的系统误差。如果打点周期不稳定，则波形上缺口位

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置也将跳跃变化或一个周期内缺口数目多于一个。

1. 由视、听觉判断。

这种方法在很大程度上依赖于经验。如果振动片悬端振动幅度较大， 如果打点针直接打在打点基板上的声音很清脆、恒定，没有强弱或音调的变化，没有“沉重感”，一般来说，打点等时性较好。这种方法并不十分可靠，但能作出快捷的判断。

1. 电磁打点器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。只有当这两个力的合力是与交变磁力相似的交变力或者是一个变化周期稳定的周期性变化的力时，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、两磁极的间距、线圈匝数、振动片的弹性系数和长度等等，都要很好地匹配。但是，由于各种原因，也可能造成打点频率不稳定：

①一些固定部件移位，特别是由于安装不好或固定螺钉 9 松动而使振动片“移位”。

②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。

③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。

1. 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 9，微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 9，重复这一步骤，使振动片悬端振动幅度最

大为止；

③逐步增大打点针长度，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 9 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 9 的松紧程度而使振动片振幅最大。固定螺钉 9 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。

1. 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≤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，只要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与复写纸复印效果差，应将打点针稍微放长些， 或将复写纸移动一下或换新的复写纸。

1. 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落体法测重力加速度的实验结果来判断。

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 7 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微微转动就行；对于②可用细沙纸磨一下针尖（但不要使针尖太钝）。