劉召新

(余姚市第四中學(xué)，浙江 寧波 315400)

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自制單擺振動(dòng)圖像描繪實(shí)驗(yàn)儀

劉召新

(余姚市第四中學(xué)，浙江 寧波 315400)

摘要：為獲得簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的清晰圖像，自制了單擺振動(dòng)圖像描繪實(shí)驗(yàn)儀. 實(shí)驗(yàn)將帶有放電針的單擺與高壓脈沖的電極相連，在單擺下方放置一勻速運(yùn)動(dòng)的紙帶，當(dāng)單擺振動(dòng)時(shí)，由尖端放電原理可知，在紙帶上將描繪出單擺振動(dòng)的圖像.

關(guān)鍵詞：?jiǎn)螖[；圖像描繪；簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)

1制作背景

簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像是人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理》(選修3-4)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，利用簡(jiǎn)便的實(shí)驗(yàn)獲得規(guī)范的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像是本節(jié)教學(xué)的關(guān)鍵.

獲得圖像的傳統(tǒng)方法主要有：

1)利用頻閃照相機(jī)獲得簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像. 但由于各個(gè)學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件限制難以實(shí)施，而且不便于課堂教學(xué)操作.

2)利用水漏或沙漏在紙上留跡. 該方法由于振子的重心變化或者與白紙之間阻力太大，使振子所作的振動(dòng)不是真正的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，因此在實(shí)際操作中得不到標(biāo)準(zhǔn)的正弦(余弦)曲線.

針對(duì)傳統(tǒng)描跡方法存在著的弊端，筆者制作了單擺振動(dòng)圖像描繪實(shí)驗(yàn)儀.

2實(shí)驗(yàn)儀的制作原理

把具有帶放電針的單擺與高壓脈沖的電極相連，將大小合適的紙帶通過紙帶限位孔與卷紙電機(jī)相連. 當(dāng)單擺振動(dòng)時(shí)，接通高壓電源，將其輸出的高壓脈沖加在單擺和振動(dòng)行程下方的金屬電極上，利用尖端放電原理在勻速前進(jìn)的紙帶上進(jìn)行打點(diǎn)留跡，從而描繪出單擺的振動(dòng)圖像.

3實(shí)驗(yàn)儀的制作方法

實(shí)驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，實(shí)物圖如圖2所示. 用細(xì)銅線穿過金屬擺球作為單擺的擺繩，在擺球的下端伸出一小段銅絲用作擺球的放電針；在單擺振動(dòng)行程的下方固定細(xì)窄金屬作為尖端放電的電極；將放電針和金屬放電極用導(dǎo)線分別與高壓電的正、負(fù)電極相連；將大小合適的紙帶通過紙帶限位孔與卷紙電機(jī)相連；將以上所述具有帶放電針的單擺、金屬放電極、高壓電極接線柱、卷紙電機(jī)、紙帶固定支架、紙帶限位孔、單擺固定支架組裝在固定底座上組成實(shí)驗(yàn)裝置.

圖1　實(shí)驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2　單擺振動(dòng)圖像描繪實(shí)驗(yàn)儀實(shí)物圖

4實(shí)際教學(xué)的探究過程

1) 將實(shí)驗(yàn)裝置放在水平桌面上，調(diào)節(jié)平衡螺母調(diào)節(jié)底座水平.

2)將紙帶一端固定在卷紙機(jī)上，另一端穿過限位孔放置在紙帶固定支架上.

3)使單擺在金屬電極上方做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，控制振幅的大小與所用紙帶的寬度相匹配.

4)接通高壓脈沖電源，擺球和金屬電極之間產(chǎn)生尖端放電，在二者間的紙帶上留下點(diǎn)跡.

5)再接通卷紙機(jī)的電源，使其帶動(dòng)紙帶勻速運(yùn)動(dòng)，尖端放電在勻速紙帶上打點(diǎn)留跡.

6)關(guān)閉電源，取下一段長(zhǎng)度適中的紙帶.

如圖3示，以紙帶運(yùn)動(dòng)方向作為時(shí)間t軸，以垂直于時(shí)間軸的方向?yàn)槲灰苮軸，建立直角坐標(biāo)系,即得到簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像.

圖3　單擺的振動(dòng)圖像

5結(jié)束語

單擺振動(dòng)圖像描繪儀為常規(guī)儀器的簡(jiǎn)單組合，利用尖端放電進(jìn)行打點(diǎn)，振子在留跡過程中幾乎沒有受到阻力，符合簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)條件. 本裝置能夠快捷地描繪出簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像，為振動(dòng)圖像的研究提供了時(shí)間保障. 實(shí)驗(yàn)獲得的圖像是正弦曲線，為研究和獲得簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的規(guī)律提供了可靠的依據(jù).

參考文獻(xiàn)：

[1]葉慶峰. 擺球在豎直平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)規(guī)律演示裝置[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2015，35(8)：21-23.

[2]沈昊. 利用手機(jī)研究簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2014，34(4)：15-18.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

收稿日期：2016-04-07

作者簡(jiǎn)介：劉召新(1979-)，男，浙江余姚人，余姚市第四中學(xué)高級(jí)教師，學(xué)士，從事中學(xué)物理教學(xué)工作.

中圖分類號(hào)：G633.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2016)07-0043-02

Self-made plotting instrument for pendulum vibration

LIU Zhao-xin

(No.4 Middle School of Yuyao, Yuyao 315400, China)

Abstract:In order to obtain a clear image of simple harmonic motion, a plotting instrument for pendulum vibration was made. The pendulum with discharge needle was connected to the high voltage pulse electrodes, and paper tap in uniform motion was placed below the pendulum. Based on the principle of point discharge, the vibration curve of the pendulum was plotting on the paper tap.

Key words:pendulum; simple harmonic motion; curve plotting