林根旺

摘 要：描繪簡諧運動圖像是高中階段一個重要的演示實驗，傳統(tǒng)的實驗在設計和實際操作中還是不夠完善，通過自制改進的教具，能夠達到更好的教學效果。

關鍵詞：簡諧運動圖像；存在問題；儀器改進

中學物理以實驗為基礎，實驗對培養(yǎng)學生觀察分析能力、學生學習物理的興趣以及科學探究的精神有著不可替代的重要意義。教材的一些實驗設計及操作方法雖然經(jīng)過反復驗證，但實際操作中仍可以進行改進。實驗改進本身就是在想象的基礎上進行的一種創(chuàng)新。通過改進實驗，常?？梢栽鰪娧菔緦嶒灥男Ч?，為培養(yǎng)學生的觀察力提供更為鮮明直觀的感性材料，吸引學生進入創(chuàng)新的殿堂，描繪簡諧運動圖像是高中階段一個重要的演示實驗，傳統(tǒng)的實驗在設計和實際操作中還是不夠完善，有一定的改進空間。

一、常見的簡諧運動圖像描繪存在的問題

魯科版的高中物理教科書（選修3-4）中描繪簡諧運動的圖像是這樣做的：如圖1所示，把一小棍壓在桌面上，將栓毛筆的繩子套在小棍上，毛筆桿上綁上一小重物。毛筆下放一標有x軸、y軸的白紙，當毛筆沿y軸擺動時，操作者沿x軸勻速拖動白紙，便可得簡諧運動的圖像。這個設計雖然取材簡單，但在實際操作中有這幾方面問題，一是毛筆經(jīng)常沒擺幾下就停下來，還有就是隨著白紙的拉動，毛筆很難保持穩(wěn)定擺動，即使讓毛筆穩(wěn)定擺動，筆尖所劃過的是一條弧線，并不在同一水平面上，也不可能在紙面上畫出完整圖像。筆者按照類似的裝置做了多次實驗，都沒有獲得成功。

傳統(tǒng)上常用沙擺描繪簡諧運動圖像，如圖2所示，把漏斗吊在支架上，下方放一塊薄木板，木板中間上畫一條直線，漏斗靜止不動時正好在木板的正上方，在漏斗里裝滿細沙。沙擺擺動同時木板做勻速運動，我們可以看到漏出的沙子成正弦或余弦圖，這種實驗方式確實能得到比較好的簡諧運動圖像，所以被廣泛采用，我們學校也是用類似的裝置，但筆者在多年的使用中，發(fā)現(xiàn)也有存在如下問題：一是不符合教學順序，我們在介紹圖像的描繪時一般都還沒有說明單擺的運動可看成簡諧運動。二是儀器較大，單木板就有一米多，不利于攜帶到教室中使用。三是實驗中木板要保持水平拉動，由于視角的關系學生難以觀察，常常要做完實驗后再把繪有圖像的木板拿到學生中轉(zhuǎn)一圈，影響課堂進度。四是可重復性不好，沙子撒到木板上后要把它再回收到瓶子中比較麻煩，如果我們在實驗中沒有勻速拉動，畫出來的圖像不理想，想要再重新做實驗就困難了。

二、自制簡諧運動圖像描繪儀

（一）儀器制作

1. 取一40cm×20cm木版作為底座，木板中間固定一長約60cm的方形木條，木條上方釘上一釘子（距離應與彈簧伸長后的長度匹配），兩邊固定兩根長約25cm的圓形木棍（可用廢舊的掃把柄或拖把柄），距離約30cm。

2. 取兩個礦泉水瓶（最好是景田礦泉水，因為它的瓶子上下直徑相同）套在圓形木棍上，瓶底與棍頂要用釘子固定，但不要釘死，使瓶子能順暢地繞木棍轉(zhuǎn)動。

3. 取一長約60cm，寬約25cm的白紙，白紙表面要貼有一層蠟紙（方便重復使用），用白紙將兩礦泉水瓶包住，形成類似傳送帶的結構，適當調(diào)整，保證轉(zhuǎn)動礦泉水瓶時能帶動白紙順暢轉(zhuǎn)動。

4. 振子制作：取一合適的小盒子，里面填上沙石，最終的重量應與彈簧的勁度系數(shù)匹配，使彈簧振子的振動周期適中。在盒子的底端固定一水筆，并在適當位置固定一長約10cm的光滑竹簽。如圖3所示。

5. 在貼近紙面處固定兩根光滑細棍，距離約8cm，確保彈簧振子掛上后能在細棍與竹簽所確定的豎直面上上下振動。最終做成如圖4所示的儀器

（二）操作步驟

1. 調(diào)整水筆尖與紙面的距離，使水筆剛好能在紙面上畫出筆跡，拉開彈簧讓振子在兩光滑細棍所確定的豎直面試振動，觀察水筆能否在各位置畫出筆跡，在能畫出的前提下盡量減少筆與紙的摩擦。

2. 使振子停在平衡位置，轉(zhuǎn)動礦泉水瓶，水筆便會在紙上畫出一水平的直線，相當于振動圖像的橫軸。

3. 讓振子振動起來，同時轉(zhuǎn)動礦泉水瓶，水筆便會在紙上畫出正弦（或余弦）的簡諧運動圖像。如圖5所示。

（三）儀器優(yōu)點

1. 取材簡單，靈活運用身邊常見的材料：木板、木條、掃把柄、礦泉水瓶、水筆等取自日常生活用品、廢舊物品，這樣一是能使學生們感到親切，二是花錢少。

2. 結構簡單、使用方便，學生一看就懂，教師不用花長時間在儀器結構原理的介紹上，操作起來步驟簡單，容易成功。

3. 尺寸適當，即保證在進行實驗演示時現(xiàn)象清晰、明顯，可見度大，保證坐在教室最后排的學生也能看清，又攜帶方便。

4. 耐用、可重復性強，由于采用的白紙表面附有蠟紙，實驗做完后用濕紙巾便可將紙上的圖跡擦掉，便可重復實驗，且實驗中幾乎不用任何耗材，方便長期使用。

（四）儀器改進

由于客觀條件的限制和筆者的制作能力不足，該儀器還是有許多可改進的地方：

1. 加裝轉(zhuǎn)速合適的小動機，讓動機帶動白紙轉(zhuǎn)動，這樣能保證轉(zhuǎn)動更加勻速，同時使老師的操作更加簡單。

2. 在轉(zhuǎn)軸位置加裝軸承，這樣能讓轉(zhuǎn)動更加順暢，達到更好的實驗效果。

參考文獻：

[1].劉炳升，特·奧索普.中學理科實踐教學[M].北京：高等教育出版社，1994.

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[3].胡成林. 略論自制教具的設計原則[J].實驗教學與儀器，2002（10）.