振動圖像描繪實驗的新設(shè)計

聶愛軍

(鹿泉市上莊中學(xué) 河北 石家莊 050227)

喬密海

(石家莊市井陘礦區(qū)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(tǒng)的“砂擺”實驗來獲得，得到的振動圖像不夠準(zhǔn)確且不便于學(xué)生進一步進行定量分析、研究，教學(xué)效果不理想.為此，筆者經(jīng)過多次反復(fù)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(jié)構(gòu)及制作方法

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

1.減速電動機 2.電子調(diào)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(xì)漆包線) 11. 擺長微調(diào)器 12.導(dǎo)線 13.支架

圖1 新型振動圖像描繪裝置

其中簡諧振動系統(tǒng)是單擺或彈簧振子；打點系統(tǒng)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(tǒng)由交流220 V減速電動機、電子調(diào)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(xì)的漆包線作為擺線(在彈簧振子一側(cè)下方固定一放電針并用細(xì)漆包線引出).在底板上合適位置橫向固定一金屬裸導(dǎo)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(diào)速器用的是電扇電子調(diào)速器，同時作為電子調(diào)速器和減速電動機的開關(guān).電火花計時器應(yīng)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(jié)構(gòu)如圖2.

1.放電針 2.導(dǎo)線 3.振子 4.氣墊導(dǎo)軌 5.氣源導(dǎo)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(diào)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(biāo)準(zhǔn)線的交點處，并使擺球靠近交點，調(diào)節(jié)微調(diào)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(biāo)準(zhǔn)線對齊).

(3)連接打點系統(tǒng)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(guān)，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(guān)，使減速電動機轉(zhuǎn)動起來，同時通過皮帶帶動卷紙軸轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)電子調(diào)速器旋鈕，改變減速電動機轉(zhuǎn)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(guān)，再打開減速電動機開關(guān)，最后,取下記錄紙帶，便可進行相關(guān)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(diào)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)線對齊).

(3)連接打點系統(tǒng)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(guān)，使彈簧振子振動起來，調(diào)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(guān)，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(guān)，使減速電動機轉(zhuǎn)動起來，同時,通過皮帶帶動卷紙軸轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)電子調(diào)速器旋鈕，改變減速電動機轉(zhuǎn)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(guān)，最后,取下記錄紙帶，便可進行相關(guān)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(yīng)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(yīng)在同一平面內(nèi)擺動，不要形成圓錐擺 .

(4)選用很細(xì)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(guān)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(zhǔn)確,便于定性分析.

(2)利用變速機構(gòu)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(shè)計合理，教學(xué)效果明顯，在石家莊市第十五屆優(yōu)秀自制教具評選活動中獲科研成果二等獎.