張曉紅

(慶陽(yáng)第三中學(xué),甘肅 慶陽(yáng) 745000)

彈簧振子振動(dòng)圖像演示裝置

張曉紅

(慶陽(yáng)第三中學(xué),甘肅 慶陽(yáng) 745000)

為了清晰地展示彈簧振子的振動(dòng)圖像，自制了彈簧振子振動(dòng)演示裝置。該裝置利用彈簧和小球作雙彈簧振子，在小球上連接輸液管，并用注射泵控制輸液管中的液體流速，當(dāng)彈簧振子振動(dòng)時(shí)可以留下運(yùn)動(dòng)軌跡；實(shí)驗(yàn)采用有機(jī)玻璃板或白紙呈現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡，利用電動(dòng)機(jī)控制并保證有機(jī)玻璃板或白紙做勻速運(yùn)動(dòng)。通過以上改進(jìn)可獲得彈簧振子振動(dòng)時(shí)的位移隨時(shí)間變化的函數(shù)圖線.

簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)；彈簧振子；振動(dòng)圖像；正弦曲線

在高中物理3-4“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”一節(jié)需要演示彈簧振子離開平衡位置的位移隨時(shí)間變化的圖像，教材中演示彈簧振子的位移-時(shí)間(x-t)圖像采用數(shù)碼相機(jī)、計(jì)算機(jī)繪制小球運(yùn)動(dòng)x-t圖像和用繪圖筆畫出圖像，前2個(gè)演示實(shí)驗(yàn)對(duì)于儀器缺乏的中學(xué)來說，很難實(shí)現(xiàn)，第3個(gè)演示實(shí)驗(yàn)在彈簧振子的小球上安裝1只繪圖筆，讓1條紙帶在與小球振動(dòng)的垂直的方向上勻速運(yùn)動(dòng)，繪圖筆在紙帶上畫出彈簧振子的振動(dòng)圖像，由于繪圖筆與紙帶之間存在摩擦力，同時(shí)彈簧振子的能量較小，摩擦力很快使彈簧振子停止振動(dòng)，效果很不理想. 為了提高振動(dòng)圖像實(shí)驗(yàn)的演示效果、增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，筆者制作了彈簧振子演示裝置.

1 制作方法

1)底座的制作

如圖1所示，取2塊長(zhǎng)木板，在側(cè)面各打2個(gè)小孔. 再制作2個(gè)金屬轉(zhuǎn)軸，并在轉(zhuǎn)軸兩端各打上一些小孔. 取2個(gè)轉(zhuǎn)筒，使轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)筒的軸線上穿過，并用長(zhǎng)桿螺絲和螺母固定好轉(zhuǎn)筒. 在轉(zhuǎn)筒上套傳送帶，在其中的1個(gè)轉(zhuǎn)軸上套上1個(gè)轉(zhuǎn)輪. 在安裝轉(zhuǎn)輪一側(cè)的木板上挖一槽，將小電動(dòng)機(jī)放進(jìn)凹槽內(nèi)并固定好. 在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上套上小滑輪，將轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)輪和電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)輪用皮帶套上，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)可以帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，在皮帶的帶動(dòng)下另一個(gè)轉(zhuǎn)輪也可轉(zhuǎn)動(dòng)，由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)均勻，放在傳送帶上的玻璃板就可以勻速平動(dòng)了. 木板的兩端用木條固定，這樣底座比較穩(wěn)定，不易晃動(dòng).

圖1 底座示意圖

2)制作雙彈簧振子

在鐵球中間打1小孔，在與小孔垂直的兩側(cè)各焊接1個(gè)小鐵環(huán)，用吊針輸液管并帶上針頭，將針頭從鐵球小孔中穿出，吊針輸液管的另一端與注射泵上的注射器針頭孔連接，如圖2所示，微量

圖2 雙彈簧振子

注射泵的精度高、小流量的液體傳輸速度可以控制，使噴出的墨水更加均勻，用膠粘嚴(yán)輸液管的接口處，防止漏水.

3)制作彈簧振子固定的框架

在底座中間處兩側(cè)制作門字型框架，可用裝修用的鋁合金廢料制成，在框架上側(cè)中間處打孔，將帶腳金屬環(huán)的腳插入小孔，用鉗子擰緊即可，要在鋁合金框兩側(cè)各做一個(gè)金屬環(huán)，制作時(shí)，兩孔要在相同高度，再將門字型框架跨過底座，固定在底座中間處，用彈簧兩端鉤在門字型框架上的金屬環(huán)上和小球的鐵環(huán)上，再焊接牢固，水平方向的彈簧振子就制作好了，用絲線將小球吊在門字型的橫梁上(如圖3所示)， 細(xì)線懸掛可以防止金屬球

圖3 框架

由于重力作用使彈簧振子不水平，懸線確保了彈簧振子在水平方向振動(dòng)，保障振動(dòng)的穩(wěn)定性，彈簧振子振動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)，振幅變化小，使繪出的振動(dòng)曲線更接近正弦曲線.

2 使用說明

選取有機(jī)玻璃板，裁成長(zhǎng)方形，其寬度要比底座略窄，為了繪出2個(gè)振動(dòng)周期，其長(zhǎng)度應(yīng)長(zhǎng)些. 將有機(jī)玻璃板放在轉(zhuǎn)輪的傳送帶上，隨滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)作勻速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)彈簧振子振動(dòng)后，就可呈現(xiàn)出紅墨水畫出正弦曲線了.

先將有機(jī)玻璃板放在傳送帶上，將紅墨水注入注射器，使彈簧振子振動(dòng). 接通電動(dòng)機(jī)的電源使電動(dòng)機(jī)工作，通過皮帶帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)有機(jī)玻璃板在傳送帶上作勻速運(yùn)動(dòng). 為了用精確地控制流速，實(shí)驗(yàn)時(shí)先調(diào)節(jié)好注射泵的液體的流速，使微量注射泵工作，紅墨水從吊針輸液管的針孔噴出，噴在有機(jī)玻璃上，形成了正線曲線型的墨水痕跡. 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后有機(jī)玻璃板用清水沖洗干凈即可.

[1] 王學(xué)水，王碩. 時(shí)差式超聲波流量計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2016,36(6)：7.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Visual demonstration instrument of spring vibration

ZHANG Xiao-hong

(No. 3 Middle School of Qingyang, Qingyang 745000, China)

To clearly show the vibration image of spring oscillator, a visual demonstration instrument was designed. The device used spring and balls to form a double spring oscillator, connected an infusion tube to the ball and controlled the liquid flow rate in the infusion tube with an injection pump. When the spring oscillator vibrated, its movement track was observed. A piece of plexiglass plate or paper, controlled by motor to do uniform motion, could be adopted to show the movement track. Using this instrument, the displacement-time curve was obtained when the spring oscillator moved away from the equilibrium position.

simple periodic motion; spring oscillator; vibration image; sinusoidal curve

2017-03-29

張曉紅(1971-)，女，甘肅慶陽(yáng)人，慶陽(yáng)第三中學(xué)高級(jí)教師，學(xué)士，主要從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作.

G633.7

A

1005-4642(2017)08-0058-02