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        簡諧運動圖像描繪儀的改進

        2018-12-22 07:19:56力,萬
        物理實驗 2018年12期
        關(guān)鍵詞:振動

        楊 力,萬 吉

        (廣西師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,廣西 桂林 541000)

        1 火花打點計時器存在的問題及其改進

        沙漏單擺作為傳統(tǒng)的簡諧運動圖像描繪儀(簡稱描繪儀)在高中物理教材最為常見,鑒于它存在周期變化、易形成錐擺、圖像容易被破壞、演示不夠直觀等問題[1-2],許多物理專家、教師提出了新的方案,例如:注射器噴墨單擺、注射器噴墨彈簧振子、磁性筆彈簧振子、電火花打點計時器彈簧振子等.目前最為可靠穩(wěn)定的描繪儀當屬電火花打點計時器彈簧振子,它包含豎直方向彈簧振子和水平方向彈簧振子2種形式,但該類描繪儀仍存在以下問題,筆者針對各個問題進行了改進.

        1)走紙線路的問題.該類描繪儀的走紙線路主要有2種:第1種是卷紙在水平面內(nèi)橫向運動,第2種是卷紙在豎直平面內(nèi)橫向運動.對第1種描繪儀,卷紙承載的圖像位于水平面與學(xué)生的視線平行,作為演示教具不利于講臺下的學(xué)生觀察.對第2種描繪儀,卷紙在豎直平面內(nèi)橫向運動,由于卷紙具有一定的重量,在重力作用下,橫向運動時卷紙會逐漸向下傾斜,使振動圖像偏離時間軸,造成圖像不準確.

        針對該問題,筆者讓卷紙在走紙滾筒的帶動下先水平運動經(jīng)過振子上方的導(dǎo)體棒,然后讓卷紙做豎直向上的運動,這樣的走紙線路,配合以下的改進措施既解決了描繪圖像不夠直觀的問題,也不會出現(xiàn)上述第2種描繪儀走紙偏移的情況.

        2)墨點位置的問題.描繪儀采用電火花打點計時器放電打點,其打出的墨點位于振子背面的卷紙表面[3],如圖1所示.學(xué)生只看見振子的振動,但不能直接看見描出的振動圖像,需要將卷紙裁剪下來翻轉(zhuǎn)一面才能看見振動圖像.此外,墨粉紙上的墨粉數(shù)量有限,經(jīng)過幾次打點消耗以后將會導(dǎo)致打點不清晰,必須定期更換墨粉紙,但墨粉紙位于卷紙背面,不方便更換[4].

        圖1 電火花打點計時器墨粉紙的放電結(jié)構(gòu)

        針對該問題,筆者將干電池內(nèi)部的墨粉配合圖2的放電結(jié)構(gòu),可以將墨點打在彈簧振子同側(cè)的卷紙表面上.此外,由于墨粉棒與卷紙的合理距離決定了打出的點的清晰度,因此把螺絲螺母改制成了圖3所示的螺旋微調(diào)結(jié)構(gòu),保證了打點的清晰度.

        圖2 改進后電火花打點計時器墨粉棒放電結(jié)構(gòu)

        圖3 螺旋微調(diào)結(jié)構(gòu)

        3)圖像信息單一的問題.以往的描繪儀只能記錄1條初相位不定的正(余)弦曲線,沒有位移軸和時間軸.

        圖4 安裝鉛筆后的裝置圖

        筆者在垂直于卷紙運動方向安裝1支2B鉛筆,保證鉛筆與振子平衡位置在1條豎直線上,如圖4所示,則卷紙走動時,就能將時間橫軸直接描繪出來.另外,筆者使用開關(guān)來控制氣墊彈簧振子的氣泵和電火花打點計時器.開關(guān)斷開時,將彈簧振子撥到最大位移處,振子受到摩擦力而保持靜止.當開關(guān)閉合,氣泵和打點計時器同時工作,振子做簡諧運動并在紙帶上留下1條直線軌跡,這條軌跡就是位移縱軸.這樣描繪出來的圖像既有橫軸也有縱軸,縱軸的單位是cm,大小可以用直尺量出來,橫軸的單位是s,配合以下改進并考慮到放電間隔是0.02 s,使用者可以通過對打出的墨點進行計數(shù)來確定周期.

        4)紙帶起始的問題.電火花打點計時器彈簧振子描繪儀是人為控制卷紙的運動,而人為操作不穩(wěn)定,不能保證描出的圖像是標準的正弦曲線、余弦曲線或者是從最大位移處開始振動的圖像.

        筆者采用霍爾繼電器控制模塊來控制減速電機的啟動.具體做法是在氣墊彈簧振子一側(cè)安裝1塊輕質(zhì)貼片強磁鐵,將霍爾傳感器安裝在距離貼片磁鐵5 mm處,并通過滑軌可以沿著振動方向調(diào)整位置,如圖5所示.當貼片磁鐵隨著振子的振動通過霍爾傳感器正前方時,霍爾元件將信號傳給模塊,模塊收到信號閉合繼電器,使電機帶動紙帶運動.這樣,在霍爾繼電器模塊的控制下,使用者可以準確地描出4種起振圖像,提高了描繪儀的準確性和實用價值.

        圖5 用霍爾繼電器控制減速電機的啟動

        2 改進后描繪儀的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

        改進后的描繪儀的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示.氣墊彈簧振子水平安裝在豎直木板支架的兩端,振子上安裝了用來放電的墨粉棒.將墨粉棒用導(dǎo)線連接到彈簧上,再從彈簧接入電火花打點計時器的負極.彈簧振子上方有1根與氣墊導(dǎo)軌平行的金屬導(dǎo)體棒,將此導(dǎo)體棒用導(dǎo)線接入電火花打點計時器的正極.卷紙支撐在氣墊導(dǎo)軌后側(cè)的電路箱上并保證卷紙筒與氣墊導(dǎo)軌平行,將卷紙從彈簧振子上方的墨粉棒和導(dǎo)體棒之間穿過,再穿入振子上方的2根滾筒之間.當氣泵給氣墊彈簧振子充氣后,彈簧振子做簡諧運動,這時電火花打點計時器在墨粉棒和導(dǎo)體棒間放電而擊穿卷紙,使墨粉棒上的墨粉印在卷紙上,留下痕跡.而卷紙在減速電機帶動的走紙系統(tǒng)牽引下勻速走動,最終在紙上留下簡諧運動的位移-時間圖像,即1條正(余)弦曲線.

        (a)右側(cè)面

        (b)左側(cè)面

        3 簡諧運動圖像描繪儀的使用方法

        1)將該教具放在桌面上,接通電源,設(shè)定好減速電機的轉(zhuǎn)速,將霍爾傳感器移動到需要的起振位置.

        2)將彈簧振子撥到氣墊導(dǎo)軌的一端,由于摩擦力的作用,彈簧振子保持靜止.

        3)閉合控制面板上的綠色開關(guān),讓氣泵和電火花打點計時器開始工作,給氣墊導(dǎo)軌供氣,彈簧振子開始做簡諧運動,電火花打點計時器放電.

        4)當彈簧振子從一側(cè)到另一側(cè)在卷紙上留下1條直線軌跡作為縱軸以后,閉合控制面板上的紅色開關(guān),這時霍爾繼電器模塊開始工作,當貼片磁鐵通過霍爾傳感器時,觸發(fā)繼電器閉合(默認倒計時8 s),減速電機轉(zhuǎn)動,帶動卷紙勻速向上運動,在紙上描出需要的振動圖像.

        5)等到繼電器模塊倒計時在2 s左右,斷開綠色開關(guān),停止打點.當?shù)褂嫊r結(jié)束,減速電機停止轉(zhuǎn)動,紙帶停止運動,斷開紅色開關(guān),將卷紙裁下來.

        6)用直尺量出振幅,數(shù)出T/4的大小,作出橫縱坐標刻度和箭頭,完整的振動圖像就描繪完成,圖7為簡諧運動圖像描繪儀直接描出的4種典型圖像.

        (a)x=Asin ωt

        (b)x=Asin (ωt+π/2)

        (c)x=Asin (ωt+π)

        (d)x=Asin (ωt+3π/2)

        綜上所述,筆者改進后的簡諧運動描繪儀不僅操作簡單,演示效果好,而且所繪制的圖像可以直接用于教學(xué),有效地解決了原有描繪儀存在的問題.

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