老儀器 新用途

摘 要 介紹電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的新的實(shí)驗(yàn)方案，用來(lái)演示受迫振動(dòng)和共振現(xiàn)象，演示波的傳播、干涉、衍射和駐波等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；還介紹利用電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器制作頻閃光源的簡(jiǎn)單方法，使被淘汰的老儀器煥發(fā)新的生機(jī)。

關(guān)鍵詞 電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器；頻閃光源；受迫振動(dòng)；波動(dòng)

中圖分類號(hào) G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1671-489X（2008）18-0068-02

電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器是力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的常用計(jì)時(shí)儀器，被廣泛應(yīng)用于需要同時(shí)記錄時(shí)空信息的力學(xué)實(shí)驗(yàn)中。通過分析處理與運(yùn)動(dòng)物體相連的打點(diǎn)紙帶上的數(shù)據(jù)，可定性分析物體的運(yùn)動(dòng)情況，定量計(jì)算物體的位移、速度、加速度等物理量，配合使用其他儀器，可用來(lái)研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)，研究勻速圓周運(yùn)動(dòng)，驗(yàn)證牛頓第二定律，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律等。然而，近些年，一種新型的電火花計(jì)時(shí)器逐漸取代中學(xué)實(shí)驗(yàn)室中傳統(tǒng)的J0203型電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，造成許多學(xué)校大量的電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器被閑置。其實(shí)，只要稍做改動(dòng)，就可使被淘汰的電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器重新煥發(fā)生機(jī)。

1 用電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器演示振動(dòng)規(guī)律

J0203型打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的外觀（結(jié)構(gòu)）如圖1所示[1]。線圈接上6 V交流電源后，成為一個(gè)通電螺線管，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，并使振動(dòng)片磁化為一個(gè)薄的磁性交變的條形磁鐵，振動(dòng)片因此受到永久磁鐵磁場(chǎng)的交變力作用而做周期性的受迫振動(dòng)。隨振動(dòng)片上下振動(dòng)的振針打在打點(diǎn)基板上，發(fā)出清脆恒定的“嗒嗒”聲。顯然，振動(dòng)片做受迫振動(dòng)的周期等于線圈所接入的交流電的變化周期。比如接入頻率為50 Hz的市電，則每隔0.02 s振針打一次點(diǎn)，聽到一次“嗒”聲。

為進(jìn)一步演示物體做受迫振動(dòng)時(shí)的頻率與物體的固有頻率無(wú)關(guān)及共振現(xiàn)象，可用螺絲刀擰開振動(dòng)片的固定螺絲，改變振動(dòng)片橢圓孔與固定螺絲的相對(duì)位置，適當(dāng)調(diào)整振動(dòng)片的長(zhǎng)度，從而改變振動(dòng)片的固有頻率。中學(xué)實(shí)驗(yàn)室常見的J0203型電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器振動(dòng)片橢圓孔一般長(zhǎng)約12 mm，振動(dòng)片長(zhǎng)度每縮短1 mm，其固有頻率約增加1 Hz[2]。學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論怎樣改變振動(dòng)片的固有頻率，振動(dòng)片帶動(dòng)振針打點(diǎn)的聲音間隔總是不變，即受迫振動(dòng)的頻率與固有頻率無(wú)關(guān)。同樣，在不改變電源頻率和電壓的情況下，通過改變振動(dòng)片的長(zhǎng)度，振動(dòng)片的振幅會(huì)發(fā)生明顯變化，小心調(diào)整振動(dòng)片的長(zhǎng)度，可使振動(dòng)片的振幅達(dá)到最大，即實(shí)現(xiàn)共振。

有條件的學(xué)校還可通過低頻信號(hào)發(fā)生器給打點(diǎn)計(jì)時(shí)器供電，改變信號(hào)頻率，同樣也能觀察到受迫振動(dòng)及共振現(xiàn)象。學(xué)生通過親自操作實(shí)驗(yàn)裝置，不僅可以了解電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的工作原理，而且能進(jìn)一步學(xué)習(xí)受迫振動(dòng)的相關(guān)規(guī)律。

2 用電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器演示波動(dòng)規(guī)律

電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器振針的振動(dòng)可作為一個(gè)穩(wěn)定的振動(dòng)源，配合絲線、砝碼、發(fā)波水槽等，可直觀演示波的形成和傳

播規(guī)律。同傳統(tǒng)的半導(dǎo)體元件構(gòu)成的多諧振蕩器驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)源相比，電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器振針的振動(dòng)具有頻率穩(wěn)定可調(diào)節(jié)、振幅明顯可控制、使用安全、經(jīng)久耐用等優(yōu)點(diǎn)。

如圖2所示，把弦線的一端固定在電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的振針上，另一端跨過定滑輪栓一個(gè)砝碼盤，盤上放砝碼，將弦線拉平。接通電源，振針振動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生一列波向定滑輪一側(cè)傳播，并在定滑輪處發(fā)生反射。通過調(diào)整砝碼的質(zhì)量來(lái)改變弦線的張力，可以看到弦線會(huì)分段振動(dòng)起來(lái)，從而形成穩(wěn)定的駐波。易知，相鄰兩波節(jié)間的距離等于半個(gè)波長(zhǎng)。在弦線長(zhǎng)度不變的情況下，弦線張力改變時(shí)，駐波的半波數(shù)隨之改變，波長(zhǎng)相應(yīng)改變。此實(shí)驗(yàn)可定性說明機(jī)械波的傳播速度由介質(zhì)決定，可定量測(cè)量波長(zhǎng)，糾正高中生關(guān)于波的干涉中振動(dòng)加強(qiáng)和振動(dòng)減弱的錯(cuò)誤理解。大學(xué)普通物理中，使用此裝置，還可進(jìn)一步驗(yàn)證波長(zhǎng)，其中，為波源的振動(dòng)頻率，為弦線的張力，為弦線單位長(zhǎng)度的質(zhì)量。

如圖3所示，擰開振動(dòng)片上固定振針的螺母，換上用易拉罐自制的打水叉并擰緊，配合發(fā)波水槽和幻燈機(jī)，可輕松演示水波的傳播、干涉和衍射現(xiàn)象。有條件的學(xué)校還可用低頻信號(hào)源給電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器供電，通過調(diào)整電源頻率和電壓值，可改變水波傳播時(shí)的波長(zhǎng)，驗(yàn)證的波的傳播規(guī)律，探究發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件，演示穩(wěn)定的波的干涉圖樣等。

3 用電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器制作頻閃光源

高中物理教材中，在介紹自由落體運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)等的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及碰撞中的動(dòng)量守恒等內(nèi)容時(shí)，都使用了頻閃照片。礙于器材限制，中學(xué)物理教學(xué)過程中，從來(lái)沒有拍攝過真正的頻閃照片，學(xué)生缺乏對(duì)頻閃攝影的感性認(rèn)識(shí)。其實(shí)，利用電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，可方便制作簡(jiǎn)易的頻閃光源。如圖4所示，將電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的振針和打點(diǎn)基板串接入頻閃光源回路，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接入低壓交流電源（市電），則每隔0.02 s，光源回路接通一次。光源的頻閃間隔可通過低頻信號(hào)源靈活調(diào)節(jié)。配合照相機(jī)等器材，很容易在暗室中拍攝各種運(yùn)動(dòng)物體的頻閃照片。

以上介紹的實(shí)驗(yàn)均來(lái)自于平時(shí)的教學(xué)實(shí)踐。在充分了解儀器原理和材料性能的基礎(chǔ)上，多考慮現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器能否代替其他裝置，能否用于其他實(shí)驗(yàn)，能否設(shè)計(jì)新的方案，充分挖掘老儀器的實(shí)驗(yàn)潛力，不僅能節(jié)約有限的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，改造傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方案，更能培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神。

參考文獻(xiàn)

[1]人教社物理室.物理[M].第一冊(cè).北京:人民教育出版社，2003:142-143

[2]陶洪.物理實(shí)驗(yàn)論[M].南寧:廣西教育出版社，1999:95-96