用激光掃描法合成簡諧運動圖像

肖貴臏，代　偉，段晨靚，李　青，湯　廷

(西華師范大學(xué) 物理與空間科學(xué)學(xué)院,四川 南充 637002)

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用激光掃描法合成簡諧運動圖像

肖貴臏，代偉，段晨靚，李青，湯廷

(西華師范大學(xué) 物理與空間科學(xué)學(xué)院,四川 南充 637002)

針對傳統(tǒng)簡諧振動圖像演示儀存在的不足，設(shè)計了激光掃描法簡諧振動圖像演示儀。該演示儀用半導(dǎo)體激光器為光源，通過激光將豎直方向的簡諧振動和水平方向的往復(fù)運動進(jìn)行合成得到簡諧振動圖像，通過觀察屏可觀察到光點振動展開后形成的正弦(或余弦)簡諧振動曲線的全過程.

激光；簡諧振動；掃描

在現(xiàn)行高中物理演示實驗裝置中，尤其是力學(xué)實驗裝置中，經(jīng)常要演示物體做簡諧運動的振動過程和振動曲線. 簡諧運動是最基本的振動，許多實際的周期振動雖然不是簡諧運動，但可以看成多個簡諧運動合成的結(jié)果,同時簡諧運動圖像在高中階段是較為復(fù)雜且重要的圖像,在高考物理試題中出現(xiàn)頻率極高. 因此，熟悉簡諧運動的規(guī)律，研究簡諧運動的合成對理解機械振動、光波和聲波的干涉和衍射等現(xiàn)象都有重要意義,同時也有助于提高課堂教學(xué)和高考復(fù)習(xí)備考的效率. 為此，利用激光器、振動鏡、電動喇叭、調(diào)速電機、六棱形旋轉(zhuǎn)鏡、垂直光屏等裝置設(shè)計出了能演示和合成簡諧運動正弦(或余弦)曲線形成過程的多功能簡諧運動演示儀. 該演示儀可操作性強，演示效果好.

1　現(xiàn)有簡諧運動圖像合成演示儀的不足

高中物理教科版選修3-4第1章第3節(jié)用的小角度擺動沙漏來近似演示簡諧運動的圖像. 該方法存在許多不足：

1)實驗結(jié)果不準(zhǔn)確，如單擺易形成圓錐擺；

2)在沙粒下落的過程中，沙桶重心下降，擺長變長；

3)用手拉動硬紙板不能保證其勻速前行；

4)沙擺畫出的圖像只能在水平面上觀察，不能豎直展現(xiàn)給學(xué)生，可見度和觀察效果差；

5)實驗器材零散，不利于搬動；

6)實驗不具有拓展性.

2　用激光掃描法合成簡諧運動圖像演示儀的結(jié)構(gòu)

用激光掃描法合成簡諧運動圖像演示儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示，實物圖如圖2所示.

圖1　激光掃描法合成簡諧運動圖像演示儀

圖2　激光掃描法合成簡諧運動圖像演示儀實物圖

底座內(nèi)裝有低頻信號發(fā)生器電路板和調(diào)速電機(可在0～100 r/min的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)). 底座上安裝有電路板控制開關(guān)和頻率調(diào)節(jié)旋鈕，調(diào)速開關(guān)用來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速也就間接地調(diào)整了旋轉(zhuǎn)六棱鏡的轉(zhuǎn)速. 電動喇叭上安裝有振動片，振動片前端彎成90°并粘有反光鏡片，半導(dǎo)體激光器射出的激光指向反光鏡片并將激光反射到六棱鏡上，然后再經(jīng)六棱鏡反射最終打向光屏.

3　實驗方法

打開電路板開關(guān)，接通激光器電源，激光射向反光鏡，調(diào)節(jié)頻率調(diào)節(jié)旋鈕使電動喇叭振動，喇叭振動后安裝在喇叭上的振動片隨之振動，然后帶動反光鏡片上下振動，調(diào)整好振動鏡的位置，使射來的光點沿豎直方向上下振動. 做上下往復(fù)振動的光點經(jīng)反光鏡反射后打向旋轉(zhuǎn)六棱鏡，此時打開電機調(diào)速開關(guān)并調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)六棱鏡的旋轉(zhuǎn)速度，射向六棱鏡的光點沿水平方向往復(fù)運動，當(dāng)電動喇叭的振動頻率和六棱鏡的轉(zhuǎn)速調(diào)到合適位置時，垂直方向的振動和水平方向的往復(fù)運動進(jìn)行合成，激光經(jīng)旋轉(zhuǎn)六棱鏡反射后就可在光屏上看到合成后的正弦(或余弦)簡諧運動圖像. 波形顯示原理如圖3所示. 調(diào)節(jié)電動喇叭的振動強度可改變正弦(或余弦)曲線的振幅，調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速可改變所演示正弦(或余弦)曲線的周期，進(jìn)而改變波形形狀.

圖3　簡諧運動正弦波合成原理圖

4　儀器的優(yōu)點

1) 儀器結(jié)構(gòu)緊湊，用激光演示現(xiàn)象明顯，可見度大，白天的演示效果也很清晰，能激發(fā)學(xué)生的好奇心.

2) 可觀察到光點的振動被展開成正弦(或余弦)曲線的全過程，從而加深對振動圖像的理解.

3) 由于光源采用了光線性能較好的半導(dǎo)體激光器，加之垂直屏顯示，所以可見度較大，便于觀察，演示效果較好.

4) 儀器構(gòu)思巧妙，操作方便，演示效果好對開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生工程意識有幫助.

5) 儀器器材簡單，制作容易，既能用于教師演示實驗，又能用于學(xué)生進(jìn)行分組實驗，有利于提高學(xué)生實驗操作和實驗探究等綜合能力.

5　結(jié)束語

激光掃描法合成簡諧運動圖像演示儀加強了創(chuàng)新實驗教學(xué)的效果，對研究簡諧運動的規(guī)律和圖像有很大的幫助；通過演示學(xué)生對簡諧運動正弦(或余弦)曲線形成理解容易，記憶深刻，體現(xiàn)了注重過程和方法同時滲透的新課標(biāo)教學(xué)理念，從而使教學(xué)取得了良好的效果. 實驗操作簡單，演示效果明顯，既可以幫助師生自己動手制作教具，讓學(xué)生學(xué)會思考和創(chuàng)新，把理論知識和生活緊密聯(lián)系起來.

[1]曲忠峰，王佳海，劉繼家. 簡諧振動圖像演示儀[J]. 物理實驗，2002，22(6):33.

[2]鄭澤龍. 用示波器顯示氣墊彈簧振子的運動圖象[J]. 教學(xué)儀器與實驗，2000，16(9):10-11.

[3]李安福. 用氣墊導(dǎo)軌演示彈簧振子的簡諧振動的方法[J]. 物理實驗，1984，4(6):262-263.

[4]董永奇，阮海軍，蔡天芳，等. 利用LED燈演示簡諧振動的合成和光的5種偏振態(tài)[J]. 物理實驗，2013，33(11):45-48.

[5]陶震英. 水平方向簡諧振動的DIS實驗[J]. 物理實驗，2009，29(9):26-28.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Image synthesis of harmonic vibration with laser scanning

XIAO Gui-bin， DAI Wei， DUAN Chen-liang， LI Qing， TANG Ting

(College of Physical and Space Science， China West Normal University， Nanchong 637002， China)

Aiming at the problems existing in the traditional harmonic vibration image demonstration device, a demonstrator with laser scanning was designed. The demonstrator used semiconductor laser as light source, and used laser to synthesize the image of simple harmonic vibration in vertical and horizontal directions. The sine (or cosine) curve of simple harmonic vibration could be projected on screen.

laser； harmonic vibration； scanning

2016-04-04；修改日期：2016-05-03

四川省研究生教育改革創(chuàng)新項目(No.445001)

肖貴臏(1990-)，男，四川宜賓人，西華師范大學(xué)物理與空間科學(xué)學(xué)院2015級研究生.

代偉(1964-),男,四川遂寧人，西華師范大學(xué)物理與空間科學(xué)學(xué)院教授，學(xué)士，主要從事大學(xué)物理實驗教學(xué)與研究.

基礎(chǔ)教育

G633.7

A

1005-4642(2016)09-0042-02