噴墨式單擺振動圖像演示儀的設(shè)計

　　【摘要】在單擺振動規(guī)律的教學中嘗試采用課本所述演示實驗進行教學，結(jié)果圖像不易給學生展示，應用所學知識就地取材，利用墨水擺代替砂擺，利用雙線擺代替單線擺，利用傳動裝置代替手工拉動，極大地提高了實驗的精確度，且試驗圖像易于展示和規(guī)律的探究。
　　【關(guān)鍵詞】單擺振動圖像演示儀　雙線擺　單擺　砂擺　墨水擺　正余弦函數(shù)圖像
　　
　　本實驗儀器主要用于物理教學中單擺振動規(guī)律的演示和學生自主探究。
　　在全日制普通高級中學教科書(必修加選修)《物理》第二冊(人民教育出版社物理室)編著的教材第28頁，為了讓學生更直觀地觀察到單擺的振動情況，課本上設(shè)計了砂擺演示實驗。現(xiàn)簡述如下：
　　如圖1所示，把漏斗吊在支架上，下方放一塊硬紙板，在漏斗里裝滿細砂，讓漏斗擺動，同時沿著與擺動方向垂直的方向勻速拉動硬紙板，由于每一時刻都從漏斗中有細砂漏出，所以落在硬紙板上的細砂就記錄下各時刻擺球的位置，從而做出單擺的振動圖像。
　　但是，在實驗過程中，我們發(fā)現(xiàn)了這一實驗裝置存在著如下缺陷：
　　1　實驗中的擺錘擺動的方向不能準確控制，所以難以保證紙板的運動方向一定與擺錘的振動方向垂直。導致做出的圖像誤差較大。
　　2　由于所用的記錄材料是沙子，所以做出的圖像不能給學生在課堂上直觀地展示，也不能保存。
　　3　最致命的缺點是，由于沙子不斷從漏斗中流出，使得擺錘質(zhì)量在實驗過程中迅速變小，增大了實驗誤差。事實上，這個裝置在嚴格意義上不能算作單擺，所以用它做出的圖像的振幅、頻率等物理量前后變化很大。
　　為了更加準確地描繪單擺的振動罔像，便于在教學中使用和學生探究，我動手設(shè)計研制了一臺單擺振動圖像演示儀(圖2)。下面對這一儀器進行具體介紹。
　　
　　
　　一、儀器的主要用途
　　
　　1　本儀器可供簡諧振動圖像的演示實驗教學和學生探究實驗之用。
　　2　本儀器將單擺振動與正(余)弦曲線聯(lián)系起來，做出可以保存的圖像，便于對實驗數(shù)據(jù)的進一步處理和研究。
　　
　　二、結(jié)構(gòu)特點和工作原理
　　
　　1　儀器結(jié)構(gòu)圖形詳見圖2
　　2　工作原理
　　(1)用手搖轉(zhuǎn)動手柄，通過轉(zhuǎn)軸傳動線帶動紙帶沿水平方向運動，可以方便地控制紙帶速度大小。
　　(2)紙帶運動的同時推動醫(yī)用注射器使管中的液體(紅色墨水)通過細管從擺球下部的噴嘴噴出，在紙上描繪出圖像。
　　
　　
　　
　　三、使用方法
　　
　　1　打開折疊式起落架，用固定鉤扣住起落架上的鐵環(huán)。
　　2　將擺線末端的掛鉤掛在起落架橫桿上的兩凹槽內(nèi)。
　　3　用注射器吸入約5mL無雜質(zhì)的紅色墨水稀釋液，將擺錘上細管接在吸墨口上。
　　4　將一根約10cm寬的紙帶從左向右穿過限位口，搖動轉(zhuǎn)動軸手柄，調(diào)節(jié)鐵夾的位置，使其位于擺錘正下方，夾住紙帶。
　　5　讓擺錘離開平衡位置到適當程度(擺角小于5。)，使其開始擺動。
　　6　待擺錘擺動平穩(wěn)后，搖動轉(zhuǎn)動軸手柄，同時均勻地推動注射器活塞開始作圖。
　　7　實驗完成后，取下紙帶，晾干備用。
　　8　取下同定鉤，折疊起落架。
　　
　　四、儀器的主要優(yōu)點
　　
　　1　結(jié)構(gòu)簡單，易操作。
　　2　體積小，可折疊，便于攜帶。
　　3　通體木制，成本小。
　　4　南于使用了雙擺線，有效保證了擺錘擺動方向和紙帶運動方向的垂直。
　　5　使用軟管穿過擺錘中心輸送墨水，保證了擺錘質(zhì)量始終不變，從而提高了實驗的精確程度。
　　
　　五、注意事項
　　
　　1　所用墨水必須是經(jīng)稀釋后的墨水，每次做完試驗后，用清水沖洗，以防堵塞。
　　2　轉(zhuǎn)動手柄時不宜用力過大，以免拉斷傳送線。
　　3　輸送墨水時盡量保持均勻用