巧用DISLab改進(jìn)簡諧振動和阻尼振動的實(shí)驗(yàn)

陳曦 陳劍峰

摘 ? 要：“簡諧振動和阻尼振動”是章節(jié)必做的演示實(shí)驗(yàn)。課堂上演示簡諧振動及阻尼振動的圖像實(shí)驗(yàn)存在諸多困難。利用電壓傳感器很巧妙地將物理學(xué)中的力學(xué)信息轉(zhuǎn)換為電學(xué)信息，對簡諧振動和阻尼振動進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。最后將改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置與其他實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較研究，體現(xiàn)DISLab實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的精確、快捷、方便數(shù)字化顯示圖像等優(yōu)越性。還可拓展研究：簡諧振動的相位、簡諧振動過程中振子的位移與彈簧受力關(guān)系的研究和驗(yàn)證彈簧振子周期的影響因素等。

關(guān)鍵詞：簡諧振動;阻尼振動;傳感器;DISLab。

1 ? 該項(xiàng)目選題的確定

課堂上演示簡諧振動及阻尼振動圖像實(shí)驗(yàn)存在諸多困難：振動體的質(zhì)量隨著沙子的漏出而減少，隨著細(xì)沙的流出引起了沙擺重心的降低，使擺長不斷增加，因而影響了擺動的周期 [1 ];沙擺擺動的同時還要放開漏沙口，且還要勻速拉動底部平板，操作上難度很大;有的實(shí)驗(yàn)者改用細(xì)鹽代替細(xì)沙 [2 ]，也很難控制其流速，而且最后圖像水平放置，觀察者不能直接觀察圖像。且演示不了阻尼振動。

2 ? 設(shè)計(jì)（或研究）該項(xiàng)目的基本思路

如圖1在玻璃水槽中注入適量的低濃度食鹽水，A、B、C為三根粗銅線做的電極，在A、C的極板間加上一定的電壓，淡鹽水中就可以形成一個均勻的電場。在A、C兩極板的正中間加一極板B，剛好與滑塊上的針尖（彈簧振子）的平衡位置相對應(yīng)（即為零勢點(diǎn)的位置），如圖2。在中間極板B與針尖引線并聯(lián)一個電壓傳感器，如圖3，用來測量針尖與中間極板B（零勢點(diǎn)）間的電壓變化。當(dāng)彈簧振子振動時，注射器的針尖一直保持浸在淡鹽水中，因U∝d ，故所測量的電壓變化曲線就可以看作彈簧振子位移隨時間變化的圖像。

拓展研究：簡諧振動的相位、簡諧波的疊加、簡諧振動過程中振子的位移與彈簧受力關(guān)系的研究和驗(yàn)證、彈簧振子周期的影響因素等。

3 ? 本實(shí)驗(yàn)簡介

3.1 ? 主器材

朗威DISLab電壓傳感器、采集器、計(jì)算機(jī)、氣墊導(dǎo)軌及附件、彈簧、軟導(dǎo)線、注射器、水槽、粗銅線、穩(wěn)壓電源等。

3.2 ? 系統(tǒng)圖（如圖4、圖5）

3.3 ? 操作步驟

a.將電壓傳感器接入數(shù)據(jù)采集器，選擇“示波顯示”;

b.連接好實(shí)驗(yàn)裝置，電壓傳感器的鱷魚夾與軟導(dǎo)線和B點(diǎn)并聯(lián);

c.調(diào)整高度，使彈簧振子振動動過程中注射器針尖始終在水面以下;

d.讓彈簧振子振動，即可得到描述彈簧振子振動的圖像，如圖6;

e.在滑塊上增加砝碼，增大阻力，形成阻尼運(yùn)動。通過裝置得到描述阻尼振動的圖像如圖7。

f.簡諧振動的相位、簡諧波的疊加、簡諧振動過程中振子的位移與彈簧受力關(guān)系的研究和驗(yàn)證彈簧振子周期的影響因素（步驟?。?/p>

3.4 ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

a.簡諧振動的圖像（如圖6）：b.阻尼振動的圖像（如圖7）：

c. 簡諧振動過程中振子的位移與彈簧受力關(guān)系（如圖8）：

4 ? 該項(xiàng)目的主要貢獻(xiàn)（創(chuàng)新部分）

本項(xiàng)目利用DISLab中的電壓傳感器很巧妙地將物理學(xué)中的力學(xué)信息轉(zhuǎn)換為電學(xué)信息。體現(xiàn)DISLab實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的精確、快捷、方便等優(yōu)越性。還可拓展研究：簡諧振動的相位、簡諧振動過程中振子的位移與彈簧受力關(guān)系的研究和驗(yàn)證彈簧振子周期的影響因素等實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳莉娟，戴普明，楊慧敏. 簡諧振動實(shí)驗(yàn)方法改進(jìn)研究[J]. 曲靖師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（3）15-17.

[2]歐麗華. 改進(jìn)沙漏擺實(shí)驗(yàn)的兩種方法[J]. 物理教學(xué)探討，2007（7）：55.