振動圖像描繪實驗的新設計

聶愛軍

(鹿泉市上莊中學 河北 石家莊 050227)

喬密海

(石家莊市井陘礦區職教中心 河北 石家莊 050100)

利用振動圖像能夠更好地研究、理解物體的振動，而物理教材中多年來一直沿用一種傳統的“砂擺”實驗來獲得，得到的振動圖像不夠準確且不便于學生進一步進行定量分析、研究，教學效果不理想.為此，筆者經過多次反復實驗、改進，研制出一種新型振動圖像描繪裝置，效果明顯.

1 結構及制作方法

本教具由(簡諧)振動系統、打點系統、紙帶傳動系統及相關附件等幾部分組成，如圖1所示.

1.減速電動機 2.電子調速器 3.電火花計時器 4.“+”“-”脈沖輸出插口 5.卷紙軸 6.記錄紙帶 7.炭粉紙 8.定位器 9.擺球(下方為放電針)10.擺線(細漆包線) 11. 擺長微調器 12.導線 13.支架

圖1 新型振動圖像描繪裝置

其中簡諧振動系統是單擺或彈簧振子；打點系統由電火花計時器、炭粉紙、放電針及記錄紙帶組成；記錄紙傳動系統由交流220 V減速電動機、電子調速器、卷紙軸組成.

取一較平整的長方形厚木板作為底板，將支架固定在底板上.一長度略大于底板寬度，寬為5 cm的硬塑料板，在其中間做出一長度適宜寬為0.5 cm的窄縫作為定位器.在金屬擺球正下方焊一放電針，用很細的漆包線作為擺線(在彈簧振子一側下方固定一放電針并用細漆包線引出).在底板上合適位置橫向固定一金屬裸導線，其上方緊貼炭粉紙，用塑料膠帶壓實固定，然后,再在炭粉紙上方固定塑料定位器.電子調速器用的是電扇電子調速器，同時作為電子調速器和減速電動機的開關.電火花計時器應提前取出原有的炭粉紙盤.如圖1，如果振動源為彈簧振子，需去掉單擺及支架，更換上如圖2所示彈簧振子，結構如圖2.

1.放電針 2.導線 3.振子 4.氣墊導軌 5.氣源導管

2 使用方法

2.1 描繪單擺的振動圖像

(1)將圖1實驗裝置擺放在水平桌面上，調整支架位置及高度，使擺球在靜止時其垂心落在定位器窄縫中心線與底板標準線的交點處，并使擺球靠近交點，調節微調器，使放電針與交點間距離為0.5～1 mm.

(2)把記錄紙帶從定位器下方(炭粉紙上方)穿過，并用透明膠帶將其一端固定在卷紙軸上(記錄紙帶中線與底板標準線對齊).

(3)連接打點系統電路，使炭粉紙與電火花計時器“+”脈沖輸出端接通，放電針與電火花計時器“-”脈沖輸出端接通.

(4)使單擺沿定位器窄縫中心線擺動起來(擺角小于5°)，作簡諧振動.

(5)閉合電火花計時器開關，擺球在擺動同時，高壓脈沖在放電針與炭粉紙之間放電，電火花擊穿記錄紙，使炭粉沉積在記錄紙上，記錄下放電時刻振動物體的位置.

(6)閉合減速電動機開關，使減速電動機轉動起來，同時通過皮帶帶動卷紙軸轉動，勻速拉動紙帶向前運動，這時便會在記錄紙上描繪出做簡諧振動物體的振動圖像.

(7)調節電子調速器旋鈕，改變減速電動機轉速，便可描繪出以不同速度拉動紙帶時的簡諧振動物體的振動圖像.如圖3，其中v1>v2.

圖3

(8)圖像描繪完成后，先打開電火花計時器開關，再打開減速電動機開關，最后,取下記錄紙帶，便可進行相關分析計算.

2.2 描繪彈簧振子的振動圖像

(1)將如圖1實驗裝置擺放在水平桌面上，調整彈簧振子位置及放電針高度，使放電針尖在靜止時其垂心落在定位器窄縫中心線與底板標準線的交點處，并使放電針與交點間距離為0.5～1 mm.

(2)把記錄紙帶從定位器下方(炭粉紙上方)穿過，并用透明膠帶將其一端固定在卷紙軸上(記錄紙帶中線與底板標準線對齊).

(3)連接打點系統電路，使炭粉紙與電火花計時器“+”脈沖輸出端接通，放電針與電火花計時器“-”脈沖輸出端接通.

(4)閉合氣泵開關，使彈簧振子振動起來，調整其位置，使放電針尖沿定位器窄縫中心線作簡諧振動.

(5)閉合電火花計時器開關，彈簧振子在振動同時，高壓脈沖在放電針與炭粉紙之間放電，電火花擊穿記錄紙，使炭粉沉積在記錄紙上，記錄下放電時刻振動物體的位置.

(6)閉合減速電動機開關，使減速電動機轉動起來，同時,通過皮帶帶動卷紙軸轉動，勻速拉動紙帶向前運動，這時便會在記錄紙上描繪出做簡諧振動物體的振動圖像.

(7)調節電子調速器旋鈕，改變減速電動機轉速，便可描繪出以不同速度拉動紙帶時的簡諧振動物體的振動圖像.如圖2，其中v1>v2.

(8)圖像描繪完成后，依次打開電火花計時器、減速電動機、氣泵開關，最后,取下記錄紙帶，便可進行相關分析計算.

3 注意事項

(1)因電火花計時器工作時輸出高壓脈沖，使用時應注意安全.

(2)靜止時，放電針與記錄紙間距離不宜過高也不宜過低，以0.5～1 mm為宜.

(3)單擺擺動時，擺角小于5°，同時應在同一平面內擺動，不要形成圓錐擺 .

(4)選用很細的漆包線作為擺線.

(5)按正確順序進行操作，特別是電器開關的閉合與斷開.

4 實驗說明

(1)本實驗裝置所繪振動圖像清晰、準確,便于定性分析.

(2)利用變速機構可描繪出以不同速度拉動紙帶時的振動物體的振動圖像，更便于對比分析和定量計算.

(3)利用本實驗裝置，可以描繪出簡諧振動、阻尼振動、受迫振動及共振的振動圖像.

(4)本實驗裝置設計合理，教學效果明顯，在石家莊市第十五屆優秀自制教具評選活動中獲科研成果二等獎.