鄒 勤 代 偉 王 丹 王玉涵 彭鐘樊

(西華師范大學物理與空間科學學院,四川 南充 637002)

簡諧運動運動曲線合成演示儀

鄒 勤 代 偉 王 丹 王玉涵 彭鐘樊

(西華師范大學物理與空間科學學院,四川 南充 637002)

了解簡諧運動的合成對理解機械振動、光波和聲波的干涉和衍射等現(xiàn)象都有著重要意義.文章所述的簡諧運動運動曲線合成演示儀不僅能清晰地描繪出簡諧運動的振動曲線,而且描繪速度慢,能較為完整、清楚的展現(xiàn)曲線合成原理.

簡諧運動;改進;演示儀

實驗是物理教學的重要環(huán)節(jié),因此實驗儀器的選擇對于保證教學效果至關重要.在物理演示實驗裝置中尤其是力學實驗裝置,經(jīng)常要演示物體做簡諧運動的振動過程和描繪振動曲線.而簡諧運動作為最基本的振動,許多實際的周期振動雖然不是簡諧運動卻可以看作是多個簡諧運動合成的結果.因此,一個能正確描繪出簡諧運動曲線和展現(xiàn)簡諧運動運動過程的實驗教具對于該部分教學非常重要.

1 現(xiàn)有簡諧運動演示儀存在的不足之處

演示物體做簡諧運動的演示儀器較多,在高中物理教材中最為常見的簡諧運動演示儀器便是沙擺.而新課標教材則采用水平彈簧振子替代以前的沙擺演示簡諧運動的圖像.但目前的水平彈簧振子簡諧運動演示儀存在著諸多不足： (1) 描繪圖像的筆與板不穩(wěn)定,振子運動并非勻速; (2) 用筆來描圖存在摩擦,實現(xiàn)不了等幅性; (3) 畫出的圖像不規(guī)范,演示效果差.當然,也有如參考文獻[1]改進后的簡諧運動實驗儀,它是將振子球固定于氣墊滑塊上,記錄筆旋固于振子球下部,利用氣墊來減少滑塊與導軌的摩擦,將振子球的振動看著簡諧運動,但這樣設計滑塊和導軌之間,記錄筆與記錄紙之間仍然有摩擦存在,實現(xiàn)不了等幅性. 為了進一步克服摩擦的影響,參考文獻[2]中,該作者用細線將水平彈簧振子吊起來,激光描跡筆固定在水平彈簧振子上,用鉗子拖動記錄紙移動,通過火花放電在記錄紙上描繪出簡諧運動的運動圖像.這種設計克服了描跡筆和記錄紙之間的摩擦,用細線把水平彈簧振子吊起來克服了水平方向的摩擦,但卻改變了水平彈簧振子的運動規(guī)律,記錄紙移動也不是勻速的所以這種設計也存在不足.

2 簡諧運動的運動曲線合成演示儀的實驗原理

針對原有簡諧運動運動曲線合成演示儀的不足,依據(jù)簡諧運動的運動原理對演示儀進行了改進,改進后的演示儀結構圖如圖1所示.新設計的演示儀在豎直方向的簡諧運動是利用豎直懸掛的彈簧振子,而水平方向的勻速運動是利用可變速電機帶動卷筒勻速走紙來實現(xiàn)的.當豎直方向的彈簧振子所作的簡諧運動和水平方向的勻速運動合成后便可得到簡諧運動的運動合成曲線,運動合成原理如圖2所示.接著再利用電火花打點計時器的火花放電在卷筒紙上留下運動合成曲線的軌跡.將電火花打點計時器的正極接在彈簧振子金屬小球的放電針上,負極接在立板的石墨紙上,卷筒紙夾在放電針和石墨紙之間.進行演示時先讓彈簧振子按一定振幅振動起來,然后將電火花打點計時器、走紙電機開啟,這樣兩個方向的運動一合成后就可在卷筒紙上留下彈簧振子做簡諧運動時的運動合成曲線軌跡.

1. 電火花打點器 2. 電機調(diào)速器 3. 儀器底座 4. 調(diào)速電機 5. 立板 6. 導向柱 7. 石墨電極紙 8. 卷筒紙支撐架 9. 底座膠墊 10. 金屬小球 11. 導向桿 12. 電極針 13. 彈簧 14. 塑料橫梁 15. 電極接線柱 16. 電極夾 17. 走紙圓筒

18.A4卷紙 19. 正弦曲線 20. 電極線

圖1 彈簧振子簡諧運動正弦曲線合成演繪儀

圖2 彈簧振子簡諧運動正弦曲線合成原理圖

3 簡諧運動的運動曲線合成演示儀的實物圖

按照彈簧振子簡諧運動運動曲線合成演示儀結構圖做成的儀器實物圖如圖3所示.為了增加演示效果,在儀器的背面利用簡諧運動曲線合成原理,結合發(fā)光二極管和單片機制作了電路板.通過電路板借助發(fā)光二極管可以單獨模擬簡諧運動的往復運動情況、勻速直線運動情況以及二者合成后所得的簡諧運動曲線.

圖3 簡諧運動曲線合成演示儀

4 演示儀的使用

演示前先將A4卷紙?zhí)自谟覀染硗布堉渭苌?左側卡在走紙圓筒上,鋪設在石墨電極紙表面.演示時先讓彈簧振子振動起來,然后接通電火花打點器和調(diào)速電機的電源,通過火花放電就可在A4卷紙上打出簡諧運動正弦曲線.因此調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速控制卷紙水平運動速度,可以改變正弦曲線的疏密,而改變彈簧振子的初始釋放位置可改變正弦曲線的幅度.

5 演示儀的優(yōu)點

改進后的簡諧運動演示儀有如下優(yōu)點:

(1) 儀器結構緊湊、設計新穎、演示效果好、圖像清晰且能演示豎直懸掛的彈簧振子做簡諧運動.

(2) 利用豎直懸掛的彈簧振子所做的簡諧運動來描繪簡諧運動曲線,振動沒有摩擦,只有小小的空氣阻力所以能保證彈簧振子的振幅穩(wěn)定,描繪出的正弦曲線振幅恒定.

(3) 圖像描點是通過火花放電在描跡紙上留下描跡點,電極針根本不與描跡紙接觸,沒有摩擦存在,能保證演示曲線的等幅性,而且正弦曲線的幅度和疏密均能改變.

(4)A4卷紙安裝在電極針和石墨電極紙之間,利用走紙卷筒將A4卷紙緊貼在石墨電極紙上,卷紙由調(diào)速電機拖動保證走紙均勻,且速度可調(diào).

6 結束語

簡諧運動是機械振動中最簡單的運動形式,是學好其他振動形式的基礎.而且它同時也涉及物理中的力學、熱學、光學等諸多物理知識的學習.而本文介紹的演示儀設計巧妙,操作性強,演示效果好,能對簡諧運動正弦波的合成進行很好的演示.儀器特別加裝了一個借助發(fā)光二極管來模擬顯示簡諧運動運動合成原理的電路板,能激發(fā)學生的好奇心,使學生對物理產(chǎn)生興趣.

1 代偉，謝春茂，陳太紅，蘭小剛，徐平川.多功能簡諧運動演示儀研究[J].西華師范大學學報，2013(4)：413-417.

2 黃開宇.描繪簡諧運動圖像的火花描跡法[J].實驗教學與儀器,1997(9)：9-10.

3 陳莉娟，戴普明，楊慧敏.簡諧振動實驗方法改進研究[J].曲靖師范學院學報，2014(3)：15-17.

4 顧琦.借用實驗視頻突破教學難點——以“簡諧運動”一節(jié)教學為例[J].物理教師，2015(12)：16-18.

2016-12-07)