自制簡諧運(yùn)動圖像描繪儀

林根旺

摘 要：描繪簡諧運(yùn)動圖像是高中階段一個重要的演示實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)和實(shí)際操作中還是不夠完善，通過自制改進(jìn)的教具，能夠達(dá)到更好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：簡諧運(yùn)動圖像；存在問題；儀器改進(jìn)

中學(xué)物理以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)對培養(yǎng)學(xué)生觀察分析能力、學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣以及科學(xué)探究的精神有著不可替代的重要意義。教材的一些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及操作方法雖然經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證，但實(shí)際操作中仍可以進(jìn)行改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)改進(jìn)本身就是在想象的基礎(chǔ)上進(jìn)行的一種創(chuàng)新。通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，常常可以增強(qiáng)演示實(shí)驗(yàn)的效果，為培養(yǎng)學(xué)生的觀察力提供更為鮮明直觀的感性材料，吸引學(xué)生進(jìn)入創(chuàng)新的殿堂，描繪簡諧運(yùn)動圖像是高中階段一個重要的演示實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)和實(shí)際操作中還是不夠完善，有一定的改進(jìn)空間。

一、常見的簡諧運(yùn)動圖像描繪存在的問題

魯科版的高中物理教科書（選修3-4）中描繪簡諧運(yùn)動的圖像是這樣做的：如圖1所示，把一小棍壓在桌面上，將栓毛筆的繩子套在小棍上，毛筆桿上綁上一小重物。毛筆下放一標(biāo)有x軸、y軸的白紙，當(dāng)毛筆沿y軸擺動時，操作者沿x軸勻速拖動白紙，便可得簡諧運(yùn)動的圖像。這個設(shè)計(jì)雖然取材簡單，但在實(shí)際操作中有這幾方面問題，一是毛筆經(jīng)常沒擺幾下就停下來，還有就是隨著白紙的拉動，毛筆很難保持穩(wěn)定擺動，即使讓毛筆穩(wěn)定擺動，筆尖所劃過的是一條弧線，并不在同一水平面上，也不可能在紙面上畫出完整圖像。筆者按照類似的裝置做了多次實(shí)驗(yàn)，都沒有獲得成功。

傳統(tǒng)上常用沙擺描繪簡諧運(yùn)動圖像，如圖2所示，把漏斗吊在支架上，下方放一塊薄木板，木板中間上畫一條直線，漏斗靜止不動時正好在木板的正上方，在漏斗里裝滿細(xì)沙。沙擺擺動同時木板做勻速運(yùn)動，我們可以看到漏出的沙子成正弦或余弦圖，這種實(shí)驗(yàn)方式確實(shí)能得到比較好的簡諧運(yùn)動圖像，所以被廣泛采用，我們學(xué)校也是用類似的裝置，但筆者在多年的使用中，發(fā)現(xiàn)也有存在如下問題：一是不符合教學(xué)順序，我們在介紹圖像的描繪時一般都還沒有說明單擺的運(yùn)動可看成簡諧運(yùn)動。二是儀器較大，單木板就有一米多，不利于攜帶到教室中使用。三是實(shí)驗(yàn)中木板要保持水平拉動，由于視角的關(guān)系學(xué)生難以觀察，常常要做完實(shí)驗(yàn)后再把繪有圖像的木板拿到學(xué)生中轉(zhuǎn)一圈，影響課堂進(jìn)度。四是可重復(fù)性不好，沙子撒到木板上后要把它再回收到瓶子中比較麻煩，如果我們在實(shí)驗(yàn)中沒有勻速拉動，畫出來的圖像不理想，想要再重新做實(shí)驗(yàn)就困難了。

二、自制簡諧運(yùn)動圖像描繪儀

（一）儀器制作

1. 取一40cm×20cm木版作為底座，木板中間固定一長約60cm的方形木條，木條上方釘上一釘子（距離應(yīng)與彈簧伸長后的長度匹配），兩邊固定兩根長約25cm的圓形木棍（可用廢舊的掃把柄或拖把柄），距離約30cm。

2. 取兩個礦泉水瓶（最好是景田礦泉水，因?yàn)樗钠孔由舷轮睆较嗤┨自趫A形木棍上，瓶底與棍頂要用釘子固定，但不要釘死，使瓶子能順暢地繞木棍轉(zhuǎn)動。

3. 取一長約60cm，寬約25cm的白紙，白紙表面要貼有一層蠟紙（方便重復(fù)使用），用白紙將兩礦泉水瓶包住，形成類似傳送帶的結(jié)構(gòu)，適當(dāng)調(diào)整，保證轉(zhuǎn)動礦泉水瓶時能帶動白紙順暢轉(zhuǎn)動。

4. 振子制作：取一合適的小盒子，里面填上沙石，最終的重量應(yīng)與彈簧的勁度系數(shù)匹配，使彈簧振子的振動周期適中。在盒子的底端固定一水筆，并在適當(dāng)位置固定一長約10cm的光滑竹簽。如圖3所示。

5. 在貼近紙面處固定兩根光滑細(xì)棍，距離約8cm，確保彈簧振子掛上后能在細(xì)棍與竹簽所確定的豎直面上上下振動。最終做成如圖4所示的儀器

（二）操作步驟

1. 調(diào)整水筆尖與紙面的距離，使水筆剛好能在紙面上畫出筆跡，拉開彈簧讓振子在兩光滑細(xì)棍所確定的豎直面試振動，觀察水筆能否在各位置畫出筆跡，在能畫出的前提下盡量減少筆與紙的摩擦。

2. 使振子停在平衡位置，轉(zhuǎn)動礦泉水瓶，水筆便會在紙上畫出一水平的直線，相當(dāng)于振動圖像的橫軸。

3. 讓振子振動起來，同時轉(zhuǎn)動礦泉水瓶，水筆便會在紙上畫出正弦（或余弦）的簡諧運(yùn)動圖像。如圖5所示。

（三）儀器優(yōu)點(diǎn)

1. 取材簡單，靈活運(yùn)用身邊常見的材料：木板、木條、掃把柄、礦泉水瓶、水筆等取自日常生活用品、廢舊物品，這樣一是能使學(xué)生們感到親切，二是花錢少。

2. 結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，學(xué)生一看就懂，教師不用花長時間在儀器結(jié)構(gòu)原理的介紹上，操作起來步驟簡單，容易成功。

3. 尺寸適當(dāng)，即保證在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示時現(xiàn)象清晰、明顯，可見度大，保證坐在教室最后排的學(xué)生也能看清，又?jǐn)y帶方便。

4. 耐用、可重復(fù)性強(qiáng)，由于采用的白紙表面附有蠟紙，實(shí)驗(yàn)做完后用濕紙巾便可將紙上的圖跡擦掉，便可重復(fù)實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)中幾乎不用任何耗材，方便長期使用。

（四）儀器改進(jìn)

由于客觀條件的限制和筆者的制作能力不足，該儀器還是有許多可改進(jìn)的地方：

1. 加裝轉(zhuǎn)速合適的小動機(jī)，讓動機(jī)帶動白紙轉(zhuǎn)動，這樣能保證轉(zhuǎn)動更加勻速，同時使老師的操作更加簡單。

2. 在轉(zhuǎn)軸位置加裝軸承，這樣能讓轉(zhuǎn)動更加順暢，達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)效果。

參考文獻(xiàn)：

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