自制新型單擺振動圖象描繪實驗儀

劉召新

1制作背景

簡諧運動的圖象是人教版普通高中課程標準實驗教科書《物理》（選修 3-4）中重點和難點，課堂上利用簡便的實驗獲得一個規(guī)范的簡諧運動圖象是本節(jié)課教學(xué)的關(guān)鍵.

傳統(tǒng)的獲得圖象的方法主要是：如圖1，利用頻閃照相機，但是限于各個學(xué)校實驗設(shè)備條件限制難以實施，而且不便于課堂教學(xué)操作；如圖2和圖

3，利用水漏或沙漏在紙上留跡，該方法由于振子的重心變化或者與白紙之間阻力太大，使其所作的振動不是真正的簡諧運動，因此在實際操作過程中根本不能得到規(guī)范的正弦（余弦）曲線.傳統(tǒng)的描跡方法存在著各種各樣的弊端，一直是該部分物理教學(xué)的一個難以解決的難題.為了克服以上存在的問題，本文將介紹一種新型的單擺振動圖象描繪實驗儀.

2實驗儀器的制作原理

把具有帶放電針的單擺與高壓脈沖的電極相連，將大小合適的紙帶通過所述紙帶限位孔與卷紙電機相連；當(dāng)單擺振動時，接通高壓電源，將其輸出的高壓脈沖加在單擺和振動行程下方的金屬電極上，利用尖端放電原理在勻速前進的紙帶上進行打點留跡，從而描繪出單擺的振動圖象.

3實驗儀器的制作方法

如圖4，用細銅線作穿過金屬擺球作為單擺的擺繩，在擺球的下端伸出一小段銅絲用作擺球的放電針；在單擺振動行程的下方固定一細窄金屬作為尖端放電的另一電極；將上述中的放電針和金屬放電極用導(dǎo)線分別與高壓電的正、負電極相連；將大小合適的紙帶通過所述紙帶限位孔與卷紙電機相連；將以上所述具有帶放電針的單擺 、金屬放電極 、高壓電極接線柱 、卷紙電機 、紙帶固定支架 、紙帶限位孔 、單擺固定支架一起組裝在固定底座上組成一個整體試驗裝置.實驗儀器的各部分名稱和具體結(jié)構(gòu)如圖5.

4實驗儀器的主要結(jié)構(gòu)和功能介紹

（1）帶放電針的單擺. 獲取簡諧運動條件，同時作為尖端放電的一極.

（2）金屬放電極. 作為尖端放電的另一極.

（3）高壓電極接線柱. 高壓脈沖電的輸出，便于與兩個放電電極連接.

（4）卷紙電機. 勻速拖動紙帶前進，符合空間記錄時間的特點.

（5）紙帶固定支架. 固定紙帶盤.

（6）紙帶限位孔. 限制紙帶的直線運動.

（7）單擺固定支架. 為單擺提供固定點，同時固定脈沖電極導(dǎo)線.

（8）固定底座. 將各部分裝置組成一個整體，便于使用.

5實際教學(xué)的探究過程

（1） 將本實驗裝置放在水平桌面上，調(diào)節(jié)平衡螺母進行調(diào)節(jié)水平.

（2）將紙帶一端固定在卷紙機上，另一端穿過限位空放置在紙帶固定支架上.

（3）使單擺在金屬電極上方做簡諧運動，控制振幅的大小與所用紙帶的寬度相匹配.

（4）先接通高壓脈沖電源，擺球和金屬電極之間產(chǎn)生尖端放電，在二者之間通過的紙帶上留下點跡.

（5）再接通卷紙機的電源，使其帶動紙帶勻速運動，尖端放電在勻速紙帶上打點留跡.

（6）關(guān)閉電源，取下一段長度適中的紙帶.如圖6示：以紙帶運動方向作為時間t軸，以垂直于時間軸的方向為位移x軸，建立直角坐標系，即可作為簡諧運動圖象進行教學(xué)了.

6該裝置的特點

（1）常規(guī)儀器簡單巧妙組合，得到極佳實驗效果.

（2）利用尖端放電進行打點，留跡過程對振子幾乎沒有阻力，符合簡諧運動條件.

（3）本裝置能夠快捷地描繪出簡諧運動的圖象，為振動圖象的研究提供了時間保障.（本課的重點）

（4）實驗獲得的圖象是正弦曲線，為研究和獲得簡諧運動的規(guī)律提供了可靠的依據(jù).（本課的難點）