利用電火花計時器繪制簡諧運動的圖象

葉禮

摘要：介紹了利用學(xué)生熟悉的電火花計時器繪制水平彈簧振子的振動圖象的方法、實驗器材、裝置的改裝和實驗步驟，對實驗結(jié)果和實驗的拓展性等做了說明.

關(guān)鍵詞：電火花計時器；彈簧振子；振動圖象

簡諧運動是高中物理的重要內(nèi)容，但由于簡諧運動的復(fù)雜性又使得學(xué)生認(rèn)識起來困難很大，所以人教課標(biāo)版選修3-4物理教材《簡諧運動》一節(jié)中，通過繪制簡諧運動的圖象使學(xué)生能夠直觀地了解簡諧運動.教材中水平彈簧振子的運動圖象是通過傳感器和計算機來實現(xiàn)的，在很多學(xué)校由于缺少氣墊導(dǎo)軌和位移傳感器，這個實驗根本無法完成.在浙江版的實驗手冊中是通過數(shù)碼相機來完成豎直彈簧振子圖象的繪制，筆者在課堂上也完成了這一實驗，效果很好.但是在課后，有同學(xué)提出，數(shù)碼照片實際上就是頻閃照片的原理，那打點計時器能完成這個實驗嗎？筆者之后參閱了很多資料，也了解了打點計時器的原理，設(shè)計并制作了利用電火花計時器繪制簡諧運動圖象的實驗，這個實驗?zāi)軌蜃寣W(xué)生直觀地觀察繪制過程，加深理解，實際效果也優(yōu)于數(shù)碼照片法.

1實驗器材及裝置制作

1.1實驗器材

常規(guī)器材：彈簧振子（J2201）；氣泵；學(xué)生電源（J1202）；電火花計時器；白紙；導(dǎo)電紙；導(dǎo)線若干.

自備器材：電動馬達(dá)；奶粉罐（金屬桶）；粗銅絲兩根；自制支架.

1.2裝置實物（圖1）

1.3裝置制作

（1）彈簧振子的改造（實物如圖2所示）：取一根粗銅絲，將其一端打磨成針狀，作為放電針，另一端沿滑塊與彈簧相連.實驗時將電火花計時器輸出端與彈簧相連，相當(dāng)于與放電針聯(lián)通.

（2）記錄桶的制作（實物如圖3所示）：取一個奶粉罐（帶蓋），在其頂和底的圓心處打孔，在底上粘貼一個傳動輪并用一根直銅絲（兩端磨成球面，減少放電）將其穿在自制支架上，使罐體可在支架上的馬達(dá)帶動下（電源由學(xué)生電源提供，通過調(diào)節(jié)電壓控制速度）繞直銅絲勻速轉(zhuǎn)動.桶上覆蓋導(dǎo)電紙，在導(dǎo)電紙上覆蓋白紙.電火花計時器輸出的另一端與直銅絲相連，當(dāng)閉合電火花計時器的開關(guān)時，在放電針和導(dǎo)電紙之間產(chǎn)生高壓脈沖電，從而在白紙上記錄下振子的位置.此處打點的原理和電火花計時器在紙帶上打點原理相同.

2實驗內(nèi)容和操作步驟

（1）組裝器材：記錄桶的軸線以及彈簧振子的擺放支架等水平，并調(diào)節(jié)放電針與記錄桶間的距離，使放電現(xiàn)象明顯，打出的點清晰.

（2）接通氣泵電源，使彈簧振子停在平衡位置.

（3）接通電動馬達(dá)電源，使奶粉罐勻速轉(zhuǎn)動，接通打點計時器電源，打出圖4中的橫線，作為時間軸.

（4）斷開電動馬達(dá)電源，使彈簧振子離開平衡位置開始振動，接通打點計時器電源，打出圖4中的豎線，作為位移軸.

（5）斷開打點計時器電源，接通電動馬達(dá)電源，使奶粉罐勻速轉(zhuǎn)動，接通打點計時器電源，打出圖4中的曲線.

（6）通過圖象的分析，可知：彈簧振子的振動圖象近似是一條正弦曲線；在平衡位置點跡較疏，最大位移處點跡較密，是一種典型的變速運動.在后續(xù)也可以更簡單地分析回復(fù)力等.

3實驗拓展及缺點

3.1繪制單擺的振動圖象

通過沙擺或漏斗擺來完成單擺的圖象.因為擺的質(zhì)量變化帶來學(xué)生的困惑，可利用這個裝置描述單擺的振動圖象，只要對擺球做相應(yīng)的處理即可，實驗裝置如圖5所示.

3.2實驗裝置的缺點

（1）本實驗中各電極均外露，操作不當(dāng)易觸電，在下一步改進(jìn)中應(yīng)當(dāng)做好電極的保護(hù).

（2）因為粗銅絲的氧化，連續(xù)工作一段時間后，打點的效果將大打折扣，所以在實驗前需要打磨粗銅絲.endprint