轉(zhuǎn)鼓式單擺簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像演示器

蔣煌延

項(xiàng)目研制背景

簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)（亦稱簡(jiǎn)諧振動(dòng)），是最基本、最簡(jiǎn)單的機(jī)械振動(dòng)，弄清簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的規(guī)律對(duì)進(jìn)一步學(xué)習(xí)機(jī)械波、交流電、電磁波等具有非常重要的意義，簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像描述是高中物理的重點(diǎn)知識(shí)之一。現(xiàn)行高中物理教材大多選用單擺簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像的演示實(shí)驗(yàn)。

由于沒(méi)有實(shí)用可靠的實(shí)驗(yàn)儀器，現(xiàn)行教材大多采用沙擺、墨水?dāng)[等需自行組裝的裝置，應(yīng)該說(shuō)是無(wú)奈的選擇。物理教學(xué)及實(shí)驗(yàn)人員從未間斷對(duì)單擺簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像演示儀器的研制，各種各樣的演示方法及裝置，經(jīng)常發(fā)表和出現(xiàn)在相關(guān)的學(xué)術(shù)期刊或?qū)＠墨I(xiàn)中。這些研制結(jié)果一般都有操作控制難度大、繪制的圖形不規(guī)整、圖像的可視性差、裝置運(yùn)行的故障率高等缺陷，離實(shí)用、好用的標(biāo)準(zhǔn)尚存在很大差距。

項(xiàng)目基本原理

現(xiàn)行教材是從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度定義簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，把物體運(yùn)動(dòng)時(shí)位移與時(shí)間的關(guān)系遵從正弦函數(shù)規(guī)律的振動(dòng)稱為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。也可以說(shuō)，簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像是一條正弦（或余弦）曲線，這一圖像直觀地表示了作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)物體的位移隨時(shí)問(wèn)按正弦（或余弦）規(guī)律變化。單擺振動(dòng)可看作是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的條件是最大擺角a<5°。

轉(zhuǎn)鼓式走帶機(jī)構(gòu)是本項(xiàng)目最重要的創(chuàng)新設(shè)計(jì)之一，其設(shè)計(jì)基本原理是：若使繪圖面的速度方向與單擺擺動(dòng)面互相垂直，仍可滿足單擺簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像繪制的必要條件，因此能夠以“轉(zhuǎn)鼓”的轉(zhuǎn)動(dòng)式走帶替代現(xiàn)行通用的平移式走帶。

技術(shù)現(xiàn)狀分析與基本方案選擇

作者通過(guò)對(duì)現(xiàn)有各種儀器案例的分析，確定以實(shí)用性作為設(shè)計(jì)原則，針對(duì)現(xiàn)有儀器存在的操作難、圖像差、故障多三大缺陷，提出采用由低速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)鼓式走帶裝置、氣壓穩(wěn)壓式噴水仿宣紙水寫布圖像繪制裝置、擺長(zhǎng)可調(diào)式單擺裝置、可調(diào)磁吸式啟擺裝置等組合而成的設(shè)計(jì)方案。

儀器研究與設(shè)計(jì)制作

轉(zhuǎn)鼓式走帶裝置的設(shè)計(jì)制作

本研制項(xiàng)目最具創(chuàng)新意義的設(shè)計(jì)就是用轉(zhuǎn)動(dòng)式轉(zhuǎn)鼓走帶機(jī)構(gòu)替代通行的平移式傳送帶走帶機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)鼓式走帶裝置結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，即特定轉(zhuǎn)速的電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)與之相配套直徑的轉(zhuǎn)鼓（圓筒），不外設(shè)任何變速、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)鼓式走帶裝置原理示意圖見圖1。也就是說(shuō)，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，繪圖面的運(yùn)動(dòng)方向總是與單擺擺動(dòng)面互相垂直，滿足了獲取單擺簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像的必要條件。

這一創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，改變了繪圖帶的運(yùn)行方式，大大簡(jiǎn)化了儀器的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，不僅使繪圖帶的運(yùn)行更加平穩(wěn)，獲得的正弦曲線精確規(guī)范，而且儀器運(yùn)行時(shí)故障率極低。

電機(jī)的型號(hào)和轉(zhuǎn)鼓的尺寸既互相關(guān)聯(lián)，又相互制約。電機(jī)轉(zhuǎn)速確定之后，選購(gòu)部分較適合的電機(jī)品種進(jìn)行技術(shù)性能方面的檢測(cè)，并綜合考慮制造成本，最終選定50KTYZ型永磁同步電機(jī)作為本儀器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

轉(zhuǎn)鼓實(shí)際上是一個(gè)圓筒形殼體。本項(xiàng)目使用的轉(zhuǎn)鼓是利用現(xiàn)成的圓形金屬盒制作的，轉(zhuǎn)鼓的尺寸為直徑27.0cm、筒高8.2cm。

轉(zhuǎn)鼓式走帶裝置是采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)鼓的傳動(dòng)方式，制作時(shí)只需將電機(jī)轉(zhuǎn)軸直接與轉(zhuǎn)鼓中心套緊連接即可。

氣壓穩(wěn)壓式清水-仿宣紙水寫布圖像繪制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作

機(jī)構(gòu)和材料選用的對(duì)比優(yōu)勢(shì)

采用氣壓穩(wěn)壓式（噴）清水仿宣紙水寫布圖像繪制機(jī)構(gòu)是本儀器的另一重要?jiǎng)?chuàng)新性設(shè)計(jì)。該方案描跡過(guò)程是：將清水以“噴”（而非“畫”）的方式滲進(jìn)仿宣紙水寫布，從而顯示出圖像。由于描跡時(shí)作圖用具與圖面不直接接觸，不會(huì)有由于筆和圖面之間的摩擦產(chǎn)生線條變形的現(xiàn)象。

本儀器使用仿宣紙水寫布充當(dāng)繪圖帶材料，優(yōu)勢(shì)十分明顯：①顯現(xiàn)的圖像清晰、曲線順暢、可視性高；②以清水取代墨水，既不會(huì)產(chǎn)生噴嘴被墨汁沉淀物堵塞的問(wèn)題，又不用擔(dān)心弄臟衣服、污染環(huán)境，操作更加自如；③水寫布可反復(fù)使用，使用成本很低。

氣壓穩(wěn)壓式噴水裝置的設(shè)計(jì)制作

噴水裝置包括加壓球、氣體分路器（四通）、氣壓表、卸壓電磁閥、加壓貯水輸水瓶、輸水閥和輸水管等部件。

制作完成的氣壓穩(wěn)壓式噴水裝置如圖2。需要特別說(shuō)明的是，在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，噴水裝置與單擺裝置的結(jié)合，不是整體結(jié)合，而是將分別獨(dú)立的2個(gè)裝置進(jìn)行連接組合，具體制作方法是，在擺錘的豎直中心方向打1個(gè)小孔，然后，將已經(jīng)連接在細(xì)軟管的噴水器，向下穿過(guò)小孔直達(dá)擺錘底部。

繪圖帶的設(shè)計(jì)制作

由于繪圖帶是貼合于轉(zhuǎn)鼓的，所以，設(shè)計(jì)時(shí)繪圖帶的寬度一般與轉(zhuǎn)鼓的筒高相當(dāng)，長(zhǎng)度則應(yīng)略小于轉(zhuǎn)鼓的圓周長(zhǎng)，留有操作空間。本儀器轉(zhuǎn)鼓的尺寸為直徑27.0 cm（周長(zhǎng)85 cm）、筒高8.2 cm，則繪圖帶的尺寸設(shè)定為長(zhǎng)75 cm，寬8.0～8.5 cm。

按以上設(shè)定的尺寸剪1塊仿宣紙水寫布，在水寫布的始端和終端背面，用軟性黏結(jié)劑（如氯丁膠）粘上1條窄窄的魔術(shù)貼條（與轉(zhuǎn)鼓所用的魔術(shù)貼帶可相互搭扣），制作即告完成。

整機(jī)的裝配設(shè)計(jì)與制作

整機(jī)的裝配過(guò)程就是將構(gòu)成儀器的所有器件和元件，按照科學(xué)合理的方法進(jìn)行布局和安裝。本項(xiàng)目裝配設(shè)計(jì)亦遵循“操作簡(jiǎn)單順手、圖像觀察方便、結(jié)構(gòu)美觀緊湊”的實(shí)用性原則。圖3為本儀器的整機(jī)照片，左側(cè)為正面，右側(cè)為左立面。

整機(jī)在裝配時(shí)，所有元器件均裝搭在一塊扁平狀盒式底座上，可將裸露的開關(guān)接口、電器連接接頭及導(dǎo)線置于盒腔內(nèi)，既安全美觀又不影響裝置的穩(wěn)固性；電器開關(guān)（按鈕）設(shè)于底座正面前端，加壓球置于正面前端的最右邊，便于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作（大部分人習(xí)慣右手操作）；轉(zhuǎn)鼓的圓立面正對(duì)操作者，便于進(jìn)行拆換繪圖帶、調(diào)整擺錘位置等操作。轉(zhuǎn)鼓設(shè)定為逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)鼓的左側(cè)立面朝向觀察者（學(xué)生），以便于觀察；繪圖時(shí)曲線走向由下至上（由左向右）；氣壓調(diào)控系統(tǒng)各器件按流程順序沿底座周邊排布安裝，不交錯(cuò)，不折返，布局合理，美觀緊湊。

項(xiàng)目技術(shù)成果

儀器主要技術(shù)指標(biāo)

單擺擺長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍：25.0～50.0cm

繪圖帶尺寸：長(zhǎng)×寬=75.0cm×8.5cm

單擺振幅：≤8.2Cm

可顯示完整周期的曲線數(shù)量：≥3個(gè)

顯像時(shí)間（與環(huán)境溫濕度有關(guān)）：10～15min

儀器的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

與現(xiàn)行各種直接繪圖法制作的單擺簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像演示器（包括定型產(chǎn)品和文獻(xiàn)可查的新型制作案例）對(duì)比，本儀器具有演示功能獨(dú)特實(shí)用、操作過(guò)程簡(jiǎn)單易控、圖像規(guī)范顯現(xiàn)易視、設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)耐用、安全環(huán)保干凈衛(wèi)生等優(yōu)點(diǎn)。

演示功能實(shí)用。既可立面演示，即時(shí)觀察單擺運(yùn)動(dòng)及其圖像繪制過(guò)程；也可取下繪圖帶，展開圖面，對(duì)曲線進(jìn)行整體觀察分析；還可以通過(guò)“停擺”操作，繪制曲線的x軸線（0-t時(shí)間軸線），獲得完整的函數(shù)圖像。

操作簡(jiǎn)單易控。手動(dòng)掛擺、加壓后，按一定的順序按動(dòng)相應(yīng)的電氣開關(guān)即可。

圖像質(zhì)量上乘。本儀器獲得的函數(shù)曲線圖像，曲線的等幅性和等時(shí)性都十分準(zhǔn)確，線條粗細(xì)均勻連續(xù)，平滑順暢，在同類制作中處領(lǐng)先水平。

機(jī)械故障率低。儀器繪圖帶的運(yùn)行采用低速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式，不外設(shè)任何減速或傳送機(jī)械裝置，除非電機(jī)故障，否則機(jī)械自身故障率極低。

安全環(huán)保經(jīng)濟(jì)。清水-水寫布作繪圖材料，實(shí)驗(yàn)時(shí)干凈衛(wèi)生。水跡干燥后圖像消失，不留痕跡，可進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)，因此繪圖材料可反復(fù)循環(huán)使用。

項(xiàng)目技術(shù)創(chuàng)新

本研制項(xiàng)目融匯多項(xiàng)創(chuàng)新與改進(jìn)設(shè)計(jì)，突破長(zhǎng)期困擾直接繪圖式單擺簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像演示器制作中的操作難、圖像差、故障多等三大技術(shù)難關(guān)，使儀器成為能夠走進(jìn)課堂、實(shí)用可靠的演示教具。

以下為本項(xiàng)目原創(chuàng)的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)和重大改進(jìn)設(shè)計(jì)。

轉(zhuǎn)鼓式走帶機(jī)構(gòu)。替代通行的傳送帶式平移機(jī)構(gòu)，通過(guò)改變繪圖帶的運(yùn)行方式，有效簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，不僅使繪圖帶的運(yùn)行更加平穩(wěn)，獲得的正弦曲線精確規(guī)范，而且儀器使用時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)，故障率極低。

清水-水寫布圖像繪制機(jī)構(gòu)。清水繪圖，操作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生污染，經(jīng)濟(jì)環(huán)保；新型材料水寫布的應(yīng)用，使繪制的圖像更加清晰，并可反復(fù)循環(huán)使用，使用成本低廉。

氣壓式穩(wěn)壓輸水系統(tǒng)?？捎行д{(diào)節(jié)和穩(wěn)定噴水流量，使繪制的圖像線條粗細(xì)均勻、連續(xù)順滑、規(guī)整美觀。

可調(diào)節(jié)型單擺支架。可伸縮的管件套合式設(shè)計(jì)，立桿高度方便調(diào)節(jié)，儀器具備不同擺長(zhǎng)單擺簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像曲線的對(duì)比演示功能。

可調(diào)磁吸式擺錘啟擺機(jī)構(gòu)?？伸`活調(diào)整單擺擺角和擺幅，準(zhǔn)確定位擺錘起擺點(diǎn)，使描繪的曲線精確規(guī)范，實(shí)驗(yàn)圖像的可再現(xiàn)率高。

該項(xiàng)目獲得第30屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎(jiǎng)。

專家評(píng)語(yǔ)

該項(xiàng)目原理科學(xué)，概念清晰，構(gòu)思巧妙，設(shè)計(jì)合理，教育性強(qiáng)。選題新穎，具有實(shí)質(zhì)性創(chuàng)新，對(duì)傳統(tǒng)方法有突破。作品效果顯著，制作規(guī)范，具有示范推廣價(jià)值，希望該項(xiàng)目在操作便捷性方面作出改進(jìn)和提升。