1、轉動慣量及圓周運動 第 1 頁，共 8 頁多功能光電計時器操作說明簡表與使用說明書編寫者：國立清華大學物理系戴明鳳，日期：97.02.22圖 A-1 多功能光電計時器一、儀器工作原理及特點使用精密的紅外線光電感應器所製作的光電閘，搭配高速微處理運算器測量運動體的運動時間、速率和加速度，具特定實驗模組化的測量功能。本機採用國際流行的薄膜式按鍵開關面設計，並含微處理機單元及智能化的測量技術讀取、處理暨儲存數據。以微秒級為時基的時間測量裝置，可提供精確位數高達五位元的時間測量，並具有存儲功能。操作簡單，只需使用四個操作鍵即可完成各種不同的測量功能。可作為計時器、計數器、信號源和 6V 直流穩壓電源使
2、用。本機除了具有一般計時器的功能外，並可用以測量運動物體的加速度、重力加速度、周期等物理量，可直接顯示物體的移動速率和加速度值。經常運用在大學院校普物實驗課程中有關運動的實驗中，如與氣墊導軌、斜槽軌道、自由落體和碰撞等各種運動實驗系統的儀器配合使用。二、儀器規格(1) 以美國 INTEL 公司的 MCS-51 數位微處理單元(CPU)為自動測量及數據處理的主控系統。(2) 採用 12MHz 的石英晶體振盪器最為時基單元，時基精度為 2 MHz 20 Hz (10 ppm)。(3) 使用 0.56高亮度的 LED 數碼顯示裝置，具有五位元的顯示單元，分別為四個LED 單位顯示和八個 LED 功能
3、指示。(4) 溢出指示“0.0.0.0.”。(5) 含小數點和單位顯示，具有量程自動定位、自動換檔及自動進行四捨五入的智能化數據處理功能。轉動慣量及圓周運動 第 2 頁，共 8 頁(6) 各項物理量的測量範圍(a) 速度範圍為：0.001000.0 cm/s(b) 加速度範圍為：0.001200.0 cm/s 2(c) 計數範圍為：099999(d) 計時範圍為：0.00 ms999.99 s(e) 0.01 ms 數量級以上確保五位有效數字顯示。(7) 可存儲 20 個時間數據，在周期測量中存儲 21 個時間數據(前 20 個振動周期和一個n 次(最多 9999 周期) 振動的累加時間總和。
4、(8) 脈沖信號源有 1 Hz、10 Hz、100 Hz、1000 Hz、10000 Hz 等五檔，輸出幅度近5V。(9) 提供 6V 直流電壓及 0.5A 的直流穩壓電源輸出(10) 提供兩個紅外光電傳感器(11) 配有可供氣墊導軌和自由落體儀器使用的四個光電閘信號輸入插座。(12) 配有供斜槽軌道和自由落體儀實驗系統之電磁鐵控制插座。(13) 工作條件： 電源：AC 110V 10，50 Hz60 Hz 。 環境溫度：-10 40 相對濕度：在 40時，低於 85。 工作時間：連續工作(14) 外形尺寸：約 230 mm 210 mm 100 mm(15) 重量：約 1.5 Kg三、面板說
5、明(1)前面板說明：見圖 A-2， 、和 等所有按鍵均為循環式的切換開關。MUJ- 5C件 件 件 件 件 件 件S1 件 件 1S2 件 件 2a 件 件 件Pzh 件 件G 件 件 件 件 件T 件 件J 件 件Sg1 件 件 件mssCm/sCm/s件 件 件 件 件 件 件 件 件1 2 3 4 75 6 8五位元 LED 顯示列 測量單位指示燈數值轉換鍵 功能轉換指示燈功能選擇/復位鍵 取數鍵電磁鐵開關指示燈 電磁鐵開關鍵轉動慣量及圓周運動 第 3 頁，共 8 頁圖 A-2 MUJ-5C 多功能光電計時器面板說明五位元 LED 顯示列：顯示測量的結果測量單位指示燈：依所選定的測量功能
6、，顯示所測得之數據的單位，如 ms, s , cm/s, cm/s 等四個時間和速率的單位。轉換鍵(Changeover)：當選擇計時、加速度和碰撞等測量功能時，在 1 秒內迅速按轉換鍵，可交替地選擇測量各種不同物理量。光電閘的檔光片寬度有 1.0 cm、3.0cm 、5.0cm、10.0cm 等四個不同的寬度選擇，可經由轉換鍵的切換選擇所需的寬度。使轉換鍵的切換時間超過 1 sec ，即可選擇檔光片的寬度設定。功能鍵(Function)：如按下功能鍵前，光電閘若遮過光，則可先按一次功能鍵進行歸零。若光電閘沒遮過光，請按功能鍵選擇擬測量的功能。取數鍵(Data Fetch)：在計時 1 (S1
7、)、計時 2 (S2)、周期(T)功能時，儀器可自動存入前 20 個測量值，按下取數鍵，可顯示存入的紀錄值。當顯示En表示將顯示存入的第 n 值。電磁鐵開/關指示燈： 顯示電磁鐵處於吸合或鬆離的狀態，當紅色 LED 亮時，表示電磁鐵為開啟的吸合狀態；LED 不亮時，則表示電磁鐵為關閉狀態。電磁鐵開關鍵(Electromagnet) ：控制電磁鐵的吸合和鬆離 (鍵上LED 顯示暗)的切換鍵，當按鍵上的電磁鐵開 /關紅色 LED 指示燈亮時，表示有電磁鐵為開啟的吸合狀態；LED 不亮時，則表示電磁鐵為關閉，處於無電磁力的狀態。(2)後面板ONOFF1 2 3 4 75 6 8P1 光電閘信號插座
8、P2 光電閘信號插座信號源輸出插座 電磁鐵信號插座6V 直流輸出插座 電源保險絲座電源開關 電源線圖 A-2 MUJ-5C 多功能光電計時器背面板說明轉動慣量及圓周運動 第 4 頁，共 8 頁四、多功能光電計時器使用說明簡表多功能光電計時器使用簡表(永原科學儀器公司製造 ,型號 A04-153) 測量前先按下 Changeover ( 1 sec)，選擇檔光片寬度 測量後可迅速( 1 sec) 按下 Changeover，可使顯示器的顯示值切換為時間或速度 數據顯示後, 可按 Function 鍵歸零重新實驗。歸零後再按一次 Function 鍵，可跳入下一功能選擇功能 應用例 擋光板 光電閘
9、 時間數據顯示 (秒 /毫秒)Timing I 拋體初速轉動週期 P1 或 P2 同一光電門擋光時程/速度 按 Data Fetch 顯示 20 組記錄Timing II重物下落已知高度時間 P1 或 P2 以擋光片得同一光電門兩次擋光的時距 以 擋光片得同一光電門一次擋光的時程- Changeover 選擇時間速度- Changeover 選擇速度 可按 Data Fetch 顯示 20 組記錄Acceleration 直線等加速度運動 由 P1 至 P2 Changeover 選擇時間P1 的擋光時程P2 的擋光時程P1 至 P2 的擋光時程 Changeover 選擇速度P1 的擋光速度
10、P2 的擋光速度P1 至 P2 的加速度Collision 碰撞運動 P1 或 P2 Changeover 選擇速度顯示各光電門各來回 1 至 3 次擋光片之速度 Changeover 選擇時間顯示各光電門各來回 1 至 3 次擋光片之時間Gravity Acceleration 自由落體 由電磁鐵至P1P4準備好後，按下 Electromagnet顯示電磁鐵下端至 P1/P2/P3/P4 的時程 Cycle單擺複擺簡諧運動 P1 或 P2 Changeover 預設週期數 100 以內.實驗完顯示總時間,再按 Data Fetch 顯示最後 20 週期時間. 不預設週期數而直接測量直到結束可
11、顯示測量週期序直到結束.按Changeover 顯示總時間,再按 Data Fetch 顯示最後 20 週期時間實Count 轉動次數 P1 或 P2 顯示遮光次數Signal Source 信號源 輸出插座 按 Changeover 可輸出頻率為：1、10、100、1000、10000 的方波信號，單位為 HzDC Power DC6V 輸出插座 任何時間可輸出轉動慣量及圓周運動 第 5 頁，共 8 頁五、測量功能1. Timing I：一般遮光時程測量2. Timing II：二次遮光時距3. Acceleration：直線運動體單點瞬時速度測量及雙點間加速度值的計算4. Collisio
12、n： 碰撞實驗中，兩運動體碰撞前後的瞬時速度測量5. Gravity Acceleration：自由落體下落至不同高度的時間測量6. Cycle：單擺計次、累計時間、單次擺動週期記錄及顯示7. Count：計數遮光次數8. Signal Source：信號產生器，可供其它實驗使用。六、操作方法(1)測量單位：(a) ms：1/1000 秒，計時單位(b) s：秒，計時單位(c) m/s：公分/秒，速度單位(d) cm/s2：公分/秒平方，加速度單位(2)各種物理量的測量1. Timing I (計時 1 , S1)：遮光時程測量測量光電閘的擋光時間，可連續測量，並自動存入前 20 個所測得的數
13、據。按下取數鍵可查看儲存於計數器內的數據。2. Time II (計時 2, S2)：二次遮光時間間距測量測量光電閘兩次擋光的間隔時間，可連續測量。並自動存入前 20 個數據，按下取數鍵可查看所量得的數據。3. Acceleration (加速度, a)測量測量帶有凹形擋光片的滑行器通過相鄰兩個光電閘的速度，以及通過此兩光電閘間之段路程所需的時間，可連接 2 至 4 個光電閘。在此測量模態時，本計時器的顯示面版上會循環顯示下列數據：1 第一個光電管 第一個光電管測量值(T1/V1)2 第二個光電管 第二個光電管測量值(T2/V2)12 第一至第二光電管 第一至第二光電管測量(T12/a)如接有
14、第 3、4 個光電閘，則除顯示上測量數據外，並繼續顯示第 3 個光電管、第4 個光電管及 23、34 段的測量值，如下所列。轉動慣量及圓周運動 第 6 頁，共 8 頁3 第三個光電管 第三個光電管測量值(T3/V3)23 第二至第三光電管 第二至第三光電管測量(T23/a)4 第四個光電管 第四個光電管測量值(T4/V4)34 第三至第四光電管 第三至第四光電管測量(T34/a)按功能鍵清0，可進行另一系列新的測量。4. Collision (碰撞, Pzh)：等質量與不等質量間的碰撞實驗測量在計時器後面板的 P1、P2 接頭各接一只光電管，兩只滑行器上裝好相同寬度的凹形擋光片和碰撞彈簧，讓滑
15、行器從氣軌兩端向中間運動，各自通過一個光電閘後相撞。做完實驗，會循環顯示下列數據：P1.1 第一次通過 P1 光電管 第一次通過 P1 光電管的遮光時間測量值P1.2 第二次通過 P1 光電管 第二次通過 P1 光電管的遮光時間測量值P2.1 第一次通過 P2 光電管 第一次通過 P2 光電管的遮光時間測量值P2.2 第二次通過 P2 光電管 第二次通過 P2 光電管的遮光時間測量值(1) 如滑塊通過 P1 光電管三次，但僅通過 P2 光電管一次，則計時器將不顯示 P2.2而顯示 P1.3，表示物體第三次通過 P1 光電管的第三次遮光時間(2) 如滑塊通過 P2 光電管三次，通過 P1 光電管
16、一次，本機將不顯示 P1.2 而顯示P2.3，表示第三次通過 P2 光電管的第三次遮光時間。按功能鍵歸零後，可進行另一系列新的測量。5. Gravity Acceleration (重力加速, g)：將電磁鐵插入電磁鐵插口，24 個光電閘插入光電閘插口，電磁鐵開關鍵上方發光管亮時，吸上小鋼球(待測物體)；按電磁鐵開關鍵，小鋼球下落(同步計時)，到小鋼球前沿遮住光電閘(計錄時間)，計時器陸續顯示物體從開始下落至通過第 n 個光電閘所經歷的時間：1 第一個光電管 t1 值(物體開始下落至通過第一個光電閘所經歷的時間 )2 第二個光電管 t2 值(物體開始下落至通過第二個光電閘所經歷的時間 )3 第
17、三個光電管 t3 值(物體開始下落至通過第三個光電閘所經歷的時間)轉動慣量及圓周運動 第 7 頁，共 8 頁4 第四個光電管 t4 值(物體開始下落至通過第四個光電閘所經歷的時間 )因 ， ，故有 ， 為第一個和第二個光電閘21gth 2t 211thg 12之間的距離。, 2143th 2132t 兩光電閘間的設定距離愈大，則測量誤差越小。按功能鍵或按電磁鐵開關鍵，儀器可自動歸零，使電磁鐵重新吸合。重力加速度的測量方法，也可用計時 2 (S2)的功能測量。6. Cycle (周期 , T)：測量單擺振子或彈簧振子 19999 周期的時間。一只光電閘插入光電閘插口，可選用以下二種方法。(1)
18、不設定周期數：在週期數顯示為 0 時，每完成一個周期，顯示周期數會加 1。按下轉換鍵即停止測量。在顯示最後一個周期數約 1 秒後，將接著顯示累計時間值。(2) 設定周期數：按下轉換鍵不放，確認到您所需周期數時放開此鍵即可。(只能設定 100 以內的周期數。 ）每完成一個周期，顯示周期數會自動減 1，當最後一次遮光完成，顯示累計時間值。按取數鍵可顯示本次實驗(最多前 20 個周期)每個周期的測量值，如顯示 E2(表示第二個周期)， (第二個周期的時間)。7. Count (計數, J）：測量光電閘的遮光次數8. Source Signal (信號源, Sg1)：將信號源輸出插頭，插入信號源輸出插
19、口，可輸出頻率為：1 Hz 、 10 Hz、100 Hz、1000 Hz、10000 Hz 的信號，按轉換鍵可切換信號的頻率選擇。七、光電閘結構轉動慣量及圓周運動 第 8 頁，共 8 頁圖 A-4 側式光電閘結構圖件 件 件 件件 件 件 件 件 m4件 件 件 件 件 件件 件件 件 件件 件件 件 件 件八、自動檢測、調整和維護1. 本機具有自動檢測功能，按住取數鍵不放，再開啟電源開關，數碼管顯示“22222”、“55555”，發光二極管全亮，顯示 20.47 ms，說明儀器程序，光電閘輸入工作正常。若出現無計時功能，請檢查光電閘是否正常。2. 存放時間滿 6 個月，應拿出通電 1 小時。九、注意事項1. 測量時間小於 1 ms 或大於 99.999 s，按轉換鍵將之轉換為速度時。顯示 0.0.0.0.表示超出範圍測量。2. 做完實驗後，請關閉儀器電源開關。3. 避免使儀器接近陽光和高溫熱源，以免影響儀器的性能。4. 儀器出現故障，請找專業技術人員修理。
