朱 昊

(蚌埠第二中學(xué) 安徽 蚌埠 233000)

人民教育出版社出版的普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理·選修3-4》(2010年4月第3版)，關(guān)于描繪簡諧運(yùn)動(dòng)的圖像，提供了2種方法.方法一是在“做一做”中提到的“用傳感器和計(jì)算機(jī)描繪簡諧運(yùn)動(dòng)的圖像”，該方法主要利用位移傳感器記錄各個(gè)時(shí)刻滑塊的位置，同時(shí)通過數(shù)據(jù)采集器輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后,在屏幕上顯示出滑塊的x-t圖像.方法二是在教材配套的《教師教學(xué)用書》中使用攝像機(jī)(或數(shù)碼相機(jī)的攝像功能)對彈簧振子進(jìn)行攝像，得到大約相隔0.04 s拍攝的一幀幀照片，在電腦中建立一個(gè)幻燈片文件，把這些照片采用“全部插入”的方式插入在同一張幻燈片中，照片會(huì)按所拍攝的時(shí)間順序一幀一幀自動(dòng)向右平鋪.讓學(xué)生從這個(gè)操作過程中“看”到時(shí)間軸的形成.

以上方法在實(shí)際操作中均有不足，現(xiàn)分析如下.

方法一實(shí)驗(yàn)效果較好，當(dāng)連接好位移傳感器以后，立刻可生成滑塊運(yùn)動(dòng)的x-t圖像，但其實(shí)驗(yàn)方案預(yù)先確定，難以描繪單擺等其他簡諧振動(dòng)圖像，學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中體驗(yàn)較差，同時(shí)，配備一間數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室費(fèi)用較為昂貴，部分學(xué)校暫時(shí)無法配備，在一定程度上限制了此方法的推廣和使用.方法二的缺點(diǎn)在于把一幀幀尺寸與幻燈片大小相同的照片，采用“全部插入”的方式插入在同一張幻燈片中，照片動(dòng)態(tài)疊加可以反映振子振動(dòng)隨時(shí)間變化的關(guān)系，但插入過程結(jié)束后生成重疊的圖片，無法再演示振動(dòng)位移隨時(shí)間變化的圖像.

筆者在日常教學(xué)中使用數(shù)碼相機(jī)與動(dòng)畫GIF制作軟件相結(jié)合，取得了良好的實(shí)驗(yàn)和教學(xué)效果.

1 實(shí)驗(yàn)器材

數(shù)碼相機(jī)1部(要求支持視頻拍攝功能)，彈簧振子器材1套.

2 實(shí)驗(yàn)過程

(1)調(diào)節(jié)彈簧振子振動(dòng)以后，使用數(shù)碼相機(jī)視頻拍攝功能拍攝振子全振動(dòng)5～10個(gè)周期.

(2)使用動(dòng)畫GIF制作軟件，打開所拍攝的視頻文件，此時(shí)軟件自動(dòng)將視頻文件解開成一幀一幀畫面(圖1).

圖1 GIF制作軟件制作幀動(dòng)畫截圖

(3)逐幀讀出振子偏離平衡位置的位移，輸入到Excel表格中(表1).

表1 振子偏離平衡位置的位移

3 數(shù)據(jù)處理

選取錄入數(shù)據(jù)，依次選擇菜單欄“插入”、“圖表”、“折線圖”、“帶平滑線和數(shù)據(jù)標(biāo)記的散點(diǎn)圖”，即可生成彈簧振子振動(dòng)圖像(圖2).

由圖2可以讀出彈簧振子的周期約為0.56 s，振幅約為10 cm.根據(jù)周期公式

計(jì)算得到彈簧的勁度系數(shù)κ=8.558 N/m，與二力平衡法測量的彈簧勁度系數(shù)κ=8.42 N/m相一致.

圖2 彈簧振子振動(dòng)圖像

相對于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，使用上述方法描繪簡諧運(yùn)動(dòng)的圖像，有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)在原有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，將所拍攝的視頻展開后，逐幀展示，學(xué)生易于理解簡諧振動(dòng)的周期、振幅等基本概念.

(2)由圖1中下側(cè)圖示可以看到，視頻文件經(jīng)軟件解開后，按所拍攝的時(shí)間順序一幀一幀自動(dòng)向右平鋪，時(shí)間軸自左向右形成，可以讀出不同時(shí)刻彈簧振子偏離平衡位置的位移大小，連接小球位置，可以得出與圖2相一致的振動(dòng)圖像，便于學(xué)生理解振子運(yùn)動(dòng)過程中空間、時(shí)間關(guān)系.

(3)彈簧振子在不同位置時(shí)所拍攝圖像的清晰程度，反映振子在不同位移與速度的關(guān)系.

(4)僅改變彈簧振子的振幅，重復(fù)演示振動(dòng)，再次描繪振動(dòng)圖像，可以得出周期與振幅無關(guān)的結(jié)論.

(5)本方法不僅適用于彈簧振子的簡諧振動(dòng)圖像的描繪，同樣可以適用于單擺等振動(dòng)情況的研究，解決了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中位移傳感器無法作為單擺小球使用的問題.