“單擺振動圖像實驗”設計與改進

一、實驗的地位與作用

單擺振動圖像實驗是普通高中新課程教科書中非常重要的一個演示實驗，教師通過演示出單擺的“位移一時間”圖像，能有效地幫助學生理解單擺的擺動是一種簡諧運動，它的圖像是一條正弦曲線。

二、常見設計方法

方案一(如圖一)：

1 原理：用硬紙做一個漏斗掛在架上，漏斗下方放紙板，板中先畫一條線作為坐標軸，在漏斗中加入些細沙，把漏斗拉離平衡位置，放手讓它擺動，同時手勻速拉動紙板。

2 不足：①教師演示時學生不易觀察；②手拉木板時難以做到勻速運動。

方案二(如圖二)：

1 原理：細線下懸掛一個除去柱塞的注射器，往注射器中加入適量的墨水，使注射器擺動起來。然后沿著與擺動方向垂直的方向勻速拉動一張白紙。

2 不足：①墨水的流量不能控制；②手拉白紙難以做到勻速運動。

方案三：

1 原理：利用在擺錘下方按裝毛筆加上適量的墨水。讓毛筆與畫板適當接觸，通進擺錘擺動時與畫板摩擦畫出圖像，并采用電動機帶動畫板沿與擺平面垂直的方向勻速運動，描繪出筒諧振動的圖像。

2 優點：采用電動機帶動，能做到勻速，并且擺長可以調節。

3 不足：①畫筆和畫板之間有摩擦力，使圖像會變形，導致不連續；②擺錘能擺動的幅度太小。

方案四(如圖三)：

1 原理：在水槽中注入2era深清水，以A、B、C為三根粗銅線作電極，AC兩端加9V電壓，使水中形成均勻電場，將軟導線連接大頭針后穿過擺球作為擺線，大頭針浸在水中，當擺球擺動時，因大頭針與粗銅線B之間的電壓變化對應了擺球相對于B點的位移，把數據采集器與電腦主機、電壓傳感器接好，便可用電腦軟件還原出單擺的振動圖像。

2 優點：①儀器先進，實驗結果準確，誤差小。②能對圖像放大、縮小，便于學生觀察。缺點：①儀器價格較貴，搬運不方便。②學生對實驗原理不易理解。③受場所限制，場所內要有電腦、投影儀等設備。

三、改進后的設計方素(如圖四)：

1 材料：木板、木條、金屬擺球1個、擺線、注射器1個、輸液管、細注射針頭1支、5號電池2對、齒輪2個、6v電動機1個、考試用的墊板1塊、橡皮筋、卷筒紙、白紙、30cm金屬桿2根、502膠、鐵釘、線槽1根、品紅3g等等。

2 制作方法：

①支架。用木板、木條、鐵釘等做好整個支架，如圖五，

②轉動裝置。把電動機、齒輪、金屬桿(做傳動軸)、電池盒、導線、開關按裝到支架上，并調整好位置。

③夾紙器。用木板、金屬桿、橡皮筋等做一個夾紙器，并調整好與齒輪轉動軸之間的松緊度。

④單擺。把注射器、輸液管、注射針頭、擺線、金屬擺球依次連接好，按裝到支架上，并調節好位置，如圖六。

3 使用方法：

①在墊板上鋪一層卷筒紙后放入到夾紙器中。

②把品紅加入到水中攪拌，充分溶解后把液體裝入注射器中。

③讓擺球靜止在平衡位置，手用力按壓注射器活塞，這樣注射器的液體便從細針孔中噴射出來，這時把電動機電源開關閉合，墊板便在夾紙器的作用下沿著與擺動方向垂直的方向勻速運動。當通過夾紙器后，手向后拉注射器活塞，使液體流回注射器內，再把電源開關斷開，拿出墊板。這樣便在墊板的卷筒紙上畫出了一條線作為坐標軸。

④把墊板重新放到夾紙器中，把擺球拉離平衡位置，放手讓它擺動后，重復一遍，這樣墊板上鋪蓋的卷筒紙上就出現了單擺的振動圖像，一條正弦曲線。如圖七。

4 優點：

①液體是從細針孔中噴射出來，很細，且不會斷點。

②噴在墊板上的液體不會向四周流動，圖像非常準確。

③采用電動機帶動，所以墊板做勻速運動。取材簡單，制作方便，能在各種場所使用。

④圖像能夠以任何角度向學生展示，重新做時，只要重新鋪上卷筒紙即行。