彈簧振子振動圖像演示裝置

張曉紅

(慶陽第三中學(xué),甘肅 慶陽 745000)

彈簧振子振動圖像演示裝置

張曉紅

(慶陽第三中學(xué),甘肅 慶陽 745000)

為了清晰地展示彈簧振子的振動圖像，自制了彈簧振子振動演示裝置。該裝置利用彈簧和小球作雙彈簧振子，在小球上連接輸液管，并用注射泵控制輸液管中的液體流速，當(dāng)彈簧振子振動時可以留下運(yùn)動軌跡；實驗采用有機(jī)玻璃板或白紙呈現(xiàn)運(yùn)動軌跡，利用電動機(jī)控制并保證有機(jī)玻璃板或白紙做勻速運(yùn)動。通過以上改進(jìn)可獲得彈簧振子振動時的位移隨時間變化的函數(shù)圖線.

簡諧運(yùn)動；彈簧振子；振動圖像；正弦曲線

在高中物理3-4“簡諧運(yùn)動”一節(jié)需要演示彈簧振子離開平衡位置的位移隨時間變化的圖像，教材中演示彈簧振子的位移-時間(x-t)圖像采用數(shù)碼相機(jī)、計算機(jī)繪制小球運(yùn)動x-t圖像和用繪圖筆畫出圖像，前2個演示實驗對于儀器缺乏的中學(xué)來說，很難實現(xiàn)，第3個演示實驗在彈簧振子的小球上安裝1只繪圖筆，讓1條紙帶在與小球振動的垂直的方向上勻速運(yùn)動，繪圖筆在紙帶上畫出彈簧振子的振動圖像，由于繪圖筆與紙帶之間存在摩擦力，同時彈簧振子的能量較小，摩擦力很快使彈簧振子停止振動，效果很不理想. 為了提高振動圖像實驗的演示效果、增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識，筆者制作了彈簧振子演示裝置.

1 制作方法

1)底座的制作

如圖1所示，取2塊長木板，在側(cè)面各打2個小孔. 再制作2個金屬轉(zhuǎn)軸，并在轉(zhuǎn)軸兩端各打上一些小孔. 取2個轉(zhuǎn)筒，使轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)筒的軸線上穿過，并用長桿螺絲和螺母固定好轉(zhuǎn)筒. 在轉(zhuǎn)筒上套傳送帶，在其中的1個轉(zhuǎn)軸上套上1個轉(zhuǎn)輪. 在安裝轉(zhuǎn)輪一側(cè)的木板上挖一槽，將小電動機(jī)放進(jìn)凹槽內(nèi)并固定好. 在電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸上套上小滑輪，將轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)輪和電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)輪用皮帶套上，電動機(jī)轉(zhuǎn)動可以帶動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動，在皮帶的帶動下另一個轉(zhuǎn)輪也可轉(zhuǎn)動，由于電動機(jī)轉(zhuǎn)動均勻，放在傳送帶上的玻璃板就可以勻速平動了. 木板的兩端用木條固定，這樣底座比較穩(wěn)定，不易晃動.

圖1 底座示意圖

2)制作雙彈簧振子

在鐵球中間打1小孔，在與小孔垂直的兩側(cè)各焊接1個小鐵環(huán)，用吊針輸液管并帶上針頭，將針頭從鐵球小孔中穿出，吊針輸液管的另一端與注射泵上的注射器針頭孔連接，如圖2所示，微量

圖2 雙彈簧振子

注射泵的精度高、小流量的液體傳輸速度可以控制，使噴出的墨水更加均勻，用膠粘嚴(yán)輸液管的接口處，防止漏水.

3)制作彈簧振子固定的框架

在底座中間處兩側(cè)制作門字型框架，可用裝修用的鋁合金廢料制成，在框架上側(cè)中間處打孔，將帶腳金屬環(huán)的腳插入小孔，用鉗子擰緊即可，要在鋁合金框兩側(cè)各做一個金屬環(huán)，制作時，兩孔要在相同高度，再將門字型框架跨過底座，固定在底座中間處，用彈簧兩端鉤在門字型框架上的金屬環(huán)上和小球的鐵環(huán)上，再焊接牢固，水平方向的彈簧振子就制作好了，用絲線將小球吊在門字型的橫梁上(如圖3所示)， 細(xì)線懸掛可以防止金屬球

圖3 框架

由于重力作用使彈簧振子不水平，懸線確保了彈簧振子在水平方向振動，保障振動的穩(wěn)定性，彈簧振子振動的時間長，振幅變化小，使繪出的振動曲線更接近正弦曲線.

2 使用說明

選取有機(jī)玻璃板，裁成長方形，其寬度要比底座略窄，為了繪出2個振動周期，其長度應(yīng)長些. 將有機(jī)玻璃板放在轉(zhuǎn)輪的傳送帶上，隨滾輪的轉(zhuǎn)動作勻速運(yùn)動，當(dāng)彈簧振子振動后，就可呈現(xiàn)出紅墨水畫出正弦曲線了.

先將有機(jī)玻璃板放在傳送帶上，將紅墨水注入注射器，使彈簧振子振動. 接通電動機(jī)的電源使電動機(jī)工作，通過皮帶帶動轉(zhuǎn)輪作勻速轉(zhuǎn)動，同時帶動有機(jī)玻璃板在傳送帶上作勻速運(yùn)動. 為了用精確地控制流速，實驗時先調(diào)節(jié)好注射泵的液體的流速，使微量注射泵工作，紅墨水從吊針輸液管的針孔噴出，噴在有機(jī)玻璃上，形成了正線曲線型的墨水痕跡. 實驗結(jié)束后有機(jī)玻璃板用清水沖洗干凈即可.

[1] 王學(xué)水，王碩. 時差式超聲波流量計實驗裝置[J]. 物理實驗，2016,36(6)：7.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Visual demonstration instrument of spring vibration

ZHANG Xiao-hong

(No. 3 Middle School of Qingyang, Qingyang 745000, China)

To clearly show the vibration image of spring oscillator, a visual demonstration instrument was designed. The device used spring and balls to form a double spring oscillator, connected an infusion tube to the ball and controlled the liquid flow rate in the infusion tube with an injection pump. When the spring oscillator vibrated, its movement track was observed. A piece of plexiglass plate or paper, controlled by motor to do uniform motion, could be adopted to show the movement track. Using this instrument, the displacement-time curve was obtained when the spring oscillator moved away from the equilibrium position.

simple periodic motion; spring oscillator; vibration image; sinusoidal curve

2017-03-29

張曉紅(1971-)，女，甘肅慶陽人，慶陽第三中學(xué)高級教師，學(xué)士，主要從事實驗教學(xué)工作.

G633.7

A

1005-4642(2017)08-0058-02