简谐运动振动图象-演示实验的改进

1、描绘简谐运动振动图象-演示实验的改进韩 康 冉英(北京市顺义区杨镇一中)【摘要】 在“ 简谐运动振动图象” 演示实验中利用电火花打点计时器打点描绘简谐运动图, 使实验更简单、易操作, 增强了直观性和可见性, 从而激发学生的学习兴趣, 调动学生的学习积极性。【关键词】 电火花打点计时器; 导电纸；变速器；控制面板；气泵；放电针【正文】现行教材采用沙摆描绘简谐运动的图像，该方法原理科学、直观，能很好的帮助学生理解简谐运动的运动规律。我们在教学实践中发现，该实验还存在一些不足：（1）原理的缺陷随着沙的流出，沙摆的重心不断变化，导致摆长变化，从而导致沙摆振动周期变化。（2）操作上的困难容易形成锥摆；沙

2、摆中的沙子经常无法顺畅的流出，造成实验失败；沙子描绘的图像容易被破坏，不便对其做进一步研究。0tX为了克服以上不足之处，我们对其做了三个方面的改进：（1）利用电火花打点计时器打点描绘图像； 首先用漆包细铜丝代替细线悬挂摆球，并在小球下端安装放电针，用导线连接打点计时器正脉冲输出插座与摆球下面的放电针；其次在平板小车上先后铺上导电纸和白纸连接到打点计时器的负脉冲输出插座。将平板小车放在小球的正上方且使放电针与导电纸之间的距离很小，开启打点计时器，放电针放电打点，记录小球该时刻的位置。 用这种方法描绘简谐运动图像有两个优点：图像可以永久保存，方便进一步研究；实验结果更精确。漆包细铜丝放电针正脉冲输

3、出插座负脉冲输出插座导电纸白 纸 纸平板小车（2）用电动平板车运载记录纸； 在平板下安放车轮，并用电动机给它提供动力。由于电动机转速过快，我们通过变速齿轮减速，以匹配单摆的振动周期。为了方便控制小车，用外部电源连接电机接线柱给电机供电。在平板小车表面帖上铝薄作为负脉冲电极，通过接线柱连接计时器负脉冲输出。将墨粉纸或导电纸平铺在铝薄的上面，并保证接触良好，再把白纸平铺在导电纸。由于它们的平整程度直接影响到打点计时器的打点效果，所以用两根橡皮筋加固。 这样改进有两个优点：实验变得更好操控；可以获得更稳定的速度，使时间轴更标准，图像更完美。（3）用永久磁铁吸附和释放单摆小球 在铁架台上适当位置，用铁

4、夹固定一根铁钉，用永久磁铁通过铁钉吸附小球。当小球静止后，拿走磁铁，小球开始做简谐运动。优点：不易出现锥摆；便于控制摆球的振幅；相比电磁铁更节能环保。实验仪器按功能分为三个模块：（1）单摆 摆线用漆包细铜丝，并在摆球下面安装放电针。（2）记录装置：电动平板小车（3）控制面板 为了使实验仪器显得将简洁，紧凑，将电动平板小车的电源和控制开关、打点计时器、导线做到一个木板上，我们称它为控制面板。正脉冲输出导线连接单摆小球。三芯线中负脉冲输出导线连接小车负脉冲接线柱，电机电源导线分别接小车的电机接线柱。电机电源是一节5号电池，用双刀双掷开关控制小车的启动和运动方向。计时器开关控制脉冲电压。负脉冲输出导

5、线接小车负脉冲接线柱正脉冲输出接单摆小球电机控制开关控制面板电机电源线 接小车电机接线柱按照下图，安装仪器，并连接好电路开始实验。让单摆小球在平衡位置静止，打开计时器开关，启动小车，当小车完全通过摆球下方时，关闭小车，关闭计时器；用永久磁铁吸附单摆小球，待静止后，拿开永久磁铁，小球开始做简谐运动，打开计时器，等小球摆动几个周期后，再启动小车，使其向相反的方向运动，当小车完全通过摆球下方时，关闭小车，关闭计时器从小车上取下白纸，在白纸的背面会留下小球的振动图像。我们在白纸的背面会得到三条曲线正中间一条直线，体现小球的平衡位置；开始有一条竖直线，体现小球在相对于平衡位置的位移方向；以上面两条互相垂

6、直的直线为坐标的一条正弦曲线。 正弦曲线上各点的物理意义：该时刻小球相对平衡的位移。所以我们以代表小球平衡位置的直线为时间轴，以小球位移方向为纵轴，该曲线代表的是各时刻小球的位移。由于受技术条件的限制，弹簧振子的振动图像一直没有较准确描绘出来。利用上面相同的原理，可以完成这个实验。使用的仪器有气垫弹簧振子和气泵，在弹簧振子上加装放电针，并利用弹簧连接放电针和正脉冲输出。按照图示，安装仪器，并连接好电路开始实验。打开气泵，让弹簧振子在平衡位置静止，打开计时器开关，启动小车，当小车完全通过放电针下方时，关闭小车，关闭计时器；让弹簧振子做简谐运动，打开计时器，等振子振动几个周期后，再启动小车，使其向相反的方向运动，当小车完全通过放电针下方时，关闭小车，关闭计时器从小车上取下白纸，在白纸的背面会留下弹簧振子的振动图像。本实验的优点：既继承了传