振動(dòng)圖像描繪實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)

聶愛(ài)軍

(鹿泉市上莊中學(xué) 河北 石家莊 050227)

喬密海

(石家莊市井陘礦區(qū)職教中心 河北 石家莊 050100)

利用振動(dòng)圖像能夠更好地研究、理解物體的振動(dòng)，而物理教材中多年來(lái)一直沿用一種傳統(tǒng)的“砂擺”實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得，得到的振動(dòng)圖像不夠準(zhǔn)確且不便于學(xué)生進(jìn)一步進(jìn)行定量分析、研究，教學(xué)效果不理想.為此，筆者經(jīng)過(guò)多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)，研制出一種新型振動(dòng)圖像描繪裝置，效果明顯.

1 結(jié)構(gòu)及制作方法

本教具由(簡(jiǎn)諧)振動(dòng)系統(tǒng)、打點(diǎn)系統(tǒng)、紙帶傳動(dòng)系統(tǒng)及相關(guān)附件等幾部分組成，如圖1所示.

1.減速電動(dòng)機(jī) 2.電子調(diào)速器 3.電火花計(jì)時(shí)器 4.“+”“-”脈沖輸出插口 5.卷紙軸 6.記錄紙帶 7.炭粉紙 8.定位器 9.擺球(下方為放電針)10.擺線(細(xì)漆包線) 11. 擺長(zhǎng)微調(diào)器 12.導(dǎo)線 13.支架

圖1 新型振動(dòng)圖像描繪裝置

其中簡(jiǎn)諧振動(dòng)系統(tǒng)是單擺或彈簧振子；打點(diǎn)系統(tǒng)由電火花計(jì)時(shí)器、炭粉紙、放電針及記錄紙帶組成；記錄紙傳動(dòng)系統(tǒng)由交流220 V減速電動(dòng)機(jī)、電子調(diào)速器、卷紙軸組成.

取一較平整的長(zhǎng)方形厚木板作為底板，將支架固定在底板上.一長(zhǎng)度略大于底板寬度，寬為5 cm的硬塑料板，在其中間做出一長(zhǎng)度適宜寬為0.5 cm的窄縫作為定位器.在金屬擺球正下方焊一放電針，用很細(xì)的漆包線作為擺線(在彈簧振子一側(cè)下方固定一放電針并用細(xì)漆包線引出).在底板上合適位置橫向固定一金屬裸導(dǎo)線，其上方緊貼炭粉紙，用塑料膠帶壓實(shí)固定，然后,再在炭粉紙上方固定塑料定位器.電子調(diào)速器用的是電扇電子調(diào)速器，同時(shí)作為電子調(diào)速器和減速電動(dòng)機(jī)的開(kāi)關(guān).電火花計(jì)時(shí)器應(yīng)提前取出原有的炭粉紙盤(pán).如圖1，如果振動(dòng)源為彈簧振子，需去掉單擺及支架，更換上如圖2所示彈簧振子，結(jié)構(gòu)如圖2.

1.放電針 2.導(dǎo)線 3.振子 4.氣墊導(dǎo)軌 5.氣源導(dǎo)管

2 使用方法

2.1 描繪單擺的振動(dòng)圖像

(1)將圖1實(shí)驗(yàn)裝置擺放在水平桌面上，調(diào)整支架位置及高度，使擺球在靜止時(shí)其垂心落在定位器窄縫中心線與底板標(biāo)準(zhǔn)線的交點(diǎn)處，并使擺球靠近交點(diǎn)，調(diào)節(jié)微調(diào)器，使放電針與交點(diǎn)間距離為0.5～1 mm.

(2)把記錄紙帶從定位器下方(炭粉紙上方)穿過(guò)，并用透明膠帶將其一端固定在卷紙軸上(記錄紙帶中線與底板標(biāo)準(zhǔn)線對(duì)齊).

(3)連接打點(diǎn)系統(tǒng)電路，使炭粉紙與電火花計(jì)時(shí)器“+”脈沖輸出端接通，放電針與電火花計(jì)時(shí)器“-”脈沖輸出端接通.

(4)使單擺沿定位器窄縫中心線擺動(dòng)起來(lái)(擺角小于5°)，作簡(jiǎn)諧振動(dòng).

(5)閉合電火花計(jì)時(shí)器開(kāi)關(guān)，擺球在擺動(dòng)同時(shí)，高壓脈沖在放電針與炭粉紙之間放電，電火花擊穿記錄紙，使炭粉沉積在記錄紙上，記錄下放電時(shí)刻振動(dòng)物體的位置.

(6)閉合減速電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)，使減速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，同時(shí)通過(guò)皮帶帶動(dòng)卷紙軸轉(zhuǎn)動(dòng)，勻速拉動(dòng)紙帶向前運(yùn)動(dòng)，這時(shí)便會(huì)在記錄紙上描繪出做簡(jiǎn)諧振動(dòng)物體的振動(dòng)圖像.

(7)調(diào)節(jié)電子調(diào)速器旋鈕，改變減速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，便可描繪出以不同速度拉動(dòng)紙帶時(shí)的簡(jiǎn)諧振動(dòng)物體的振動(dòng)圖像.如圖3，其中v1>v2.

圖3

(8)圖像描繪完成后，先打開(kāi)電火花計(jì)時(shí)器開(kāi)關(guān)，再打開(kāi)減速電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)，最后,取下記錄紙帶，便可進(jìn)行相關(guān)分析計(jì)算.

2.2 描繪彈簧振子的振動(dòng)圖像

(1)將如圖1實(shí)驗(yàn)裝置擺放在水平桌面上，調(diào)整彈簧振子位置及放電針高度，使放電針尖在靜止時(shí)其垂心落在定位器窄縫中心線與底板標(biāo)準(zhǔn)線的交點(diǎn)處，并使放電針與交點(diǎn)間距離為0.5～1 mm.

(2)把記錄紙帶從定位器下方(炭粉紙上方)穿過(guò)，并用透明膠帶將其一端固定在卷紙軸上(記錄紙帶中線與底板標(biāo)準(zhǔn)線對(duì)齊).

(3)連接打點(diǎn)系統(tǒng)電路，使炭粉紙與電火花計(jì)時(shí)器“+”脈沖輸出端接通，放電針與電火花計(jì)時(shí)器“-”脈沖輸出端接通.

(4)閉合氣泵開(kāi)關(guān)，使彈簧振子振動(dòng)起來(lái)，調(diào)整其位置，使放電針尖沿定位器窄縫中心線作簡(jiǎn)諧振動(dòng).

(5)閉合電火花計(jì)時(shí)器開(kāi)關(guān)，彈簧振子在振動(dòng)同時(shí)，高壓脈沖在放電針與炭粉紙之間放電，電火花擊穿記錄紙，使炭粉沉積在記錄紙上，記錄下放電時(shí)刻振動(dòng)物體的位置.

(6)閉合減速電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)，使減速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，同時(shí),通過(guò)皮帶帶動(dòng)卷紙軸轉(zhuǎn)動(dòng)，勻速拉動(dòng)紙帶向前運(yùn)動(dòng)，這時(shí)便會(huì)在記錄紙上描繪出做簡(jiǎn)諧振動(dòng)物體的振動(dòng)圖像.

(7)調(diào)節(jié)電子調(diào)速器旋鈕，改變減速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，便可描繪出以不同速度拉動(dòng)紙帶時(shí)的簡(jiǎn)諧振動(dòng)物體的振動(dòng)圖像.如圖2，其中v1>v2.

(8)圖像描繪完成后，依次打開(kāi)電火花計(jì)時(shí)器、減速電動(dòng)機(jī)、氣泵開(kāi)關(guān)，最后,取下記錄紙帶，便可進(jìn)行相關(guān)分析計(jì)算.

3 注意事項(xiàng)

(1)因電火花計(jì)時(shí)器工作時(shí)輸出高壓脈沖，使用時(shí)應(yīng)注意安全.

(2)靜止時(shí)，放電針與記錄紙間距離不宜過(guò)高也不宜過(guò)低，以0.5～1 mm為宜.

(3)單擺擺動(dòng)時(shí)，擺角小于5°，同時(shí)應(yīng)在同一平面內(nèi)擺動(dòng)，不要形成圓錐擺 .

(4)選用很細(xì)的漆包線作為擺線.

(5)按正確順序進(jìn)行操作，特別是電器開(kāi)關(guān)的閉合與斷開(kāi).

4 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

(1)本實(shí)驗(yàn)裝置所繪振動(dòng)圖像清晰、準(zhǔn)確,便于定性分析.

(2)利用變速機(jī)構(gòu)可描繪出以不同速度拉動(dòng)紙帶時(shí)的振動(dòng)物體的振動(dòng)圖像，更便于對(duì)比分析和定量計(jì)算.

(3)利用本實(shí)驗(yàn)裝置，可以描繪出簡(jiǎn)諧振動(dòng)、阻尼振動(dòng)、受迫振動(dòng)及共振的振動(dòng)圖像.

(4)本實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)合理，教學(xué)效果明顯，在石家莊市第十五屆優(yōu)秀自制教具評(píng)選活動(dòng)中獲科研成果二等獎(jiǎng).