單擺振動圖像演示器的再改進

單擺振動圖象演示器主要用于高中物理教學中演示單擺簡諧振動的圖象，進行簡諧振動相關知識的教學。原實驗裝置是用一個盛砂的漏斗作為單擺的擺錘，使它在一個固定的豎直平面內振動。在漏斗下方的長方形薄木板上有與木板等大的白紙，沿與擺平而垂直的方向勻速地拉動木板，從振動漏斗中漏出的流砂在木板上形成振動的圖象。這種裝置存在的問題是：1、手拉木板時難以做到勻速運動：2、對砂粒的大小干燥等要求高；3、由于砂子在板上形成的圖象不能豎起來讓學生看，所以觀察效果不理想等。為了解決上述問題，生產廠研制了J2222型單擺振動圖象演示器。

1J2222型單擺振動圖象演示器的結構和原理

實驗設備的結構如圖1所示，主要由底座、畫板、畫筆、畫板電動推進系統、擺錘、電磁鐵釋放器，控制開關、擺長調節器、立桿、擺錘線等組成。

1、底座2、畫板3、畫板電動推進系統4、擺錘

5、電磁鐵釋放器6、控制開關7、擺長調節器

8、立桿9、擺錘線10、畫筆

電路結構如圖2所示。L為電磁鐵釋放器，M為6V直流電動機，K1為總電源開關，K2為單刀雙擲開關。

工作原理：將儀器放在水平桌面上，將擺錘下方的毛筆加上適量的墨水，放好畫板，讓毛筆適當接觸，把儀器的接線柱與6V直流電源連通，打開電源開關K1，使K2與電磁釋放器連通，讓電磁鐵吸住擺錘，將開關K2快速地從“電磁鐵”位置撥向“電動機”位置。在擺錘被釋放開始振動的同時，電動機開始工作，帶動畫板推進系統使畫板沿與擺平面垂直的方向勻速運動，擺錘下方的畫筆就在畫板上描繪出簡諧振動的圖象。

2對J2222型單擺振動圖像演示器的評價

（1）優點：在擺長調節、畫板勻速運動、擺振動與畫板運動同步等方面的改進是比較完美的。

(2)缺點：由于畫筆和畫板之間始終存在著的摩擦力，導致擺錘所畫出的圖象失真變形嚴重，不連續，往往使本儀器難于使用。

3對J2222型單擺振動圖象演示器再改進

為了完全消除畫筆和畫板之間在相對運動過程中產生的摩擦力，得出真實清晰的單擺振動圖象。筆者經過認真分析研究，反復實驗和改進，終于獲得到了圓滿的結果。改進后的儀器結構如圖3所示。

1、底座2、畫板3、畫板電動推進系統4、擺錘

5、電磁鐵釋放器6、控制開關7、擺長調節器

8、立桿9、醫用輸液管10、注射器11、注射針頭

具體改進方法如下：

拆除原有的擺線、畫筆和立桿頂端的調節螺栓。沿錐形擺錘的軸線打4mm的孔，用一根醫用輸液管按圖3所示由下而上的穿過擺錘上打的孔，再穿過原立桿頂端的調節螺栓的孔，連接一支20ml的一次性注射器，在輸液管的下端安裝一支最細的注射針頭，用細鐵絲把輸液管與擺長調節器固定，并且便于調節擺長。儀器的改進就完成了。簡而言之。就是用醫用輸液管替代單擺的擺線，用從注射針頭噴出的墨汁流代替畫筆作畫，從根本上消除畫筆與畫板之間的摩擦。

4儀器的操作使用

（1）將儀器放在水平桌面上，按圖3所示的位置放好畫板，在立桿頂端的上下方拉動輸液管，使注射針頭的針尖距畫板5-10mm，擺錘在平衡時針尖指向坐標原點位置；(2）調節擺長調節器至所需擺長，取下注射器，吸入15ml左右經過稀釋的紅墨水后再安裝到原位，推動注射器活塞將注射器和輸液管中的空氣全部推出；（3）將儀器上的電源接線柱與低壓直流電源接通(正負極對應)，電壓調在2-3V左右；（4）使K2與電磁釋放器連通。打開電源開關K1，讓電磁釋放器吸住擺錘，推動注射器，在墨水噴出的同時迅速將開關K2從“電磁鐵”位置撥向“電動機”位置，這樣電動推進系統推動畫板前進，從擺動的擺錘下方注射針頭中噴射出的墨水就在畫板上形成了理想的單擺振動圖象。取下畫板豎起來讓學生觀看圖象。用濕毛巾將圖象擦去，重新調節擺長可畫出不同頻率的單擺振動圖象。

(欄目編輯王柏廬)