自制單擺振動圖像描繪實驗儀

劉召新

(余姚市第四中學，浙江 寧波 315400)

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自制單擺振動圖像描繪實驗儀

劉召新

(余姚市第四中學，浙江 寧波 315400)

摘要：為獲得簡諧運動的清晰圖像，自制了單擺振動圖像描繪實驗儀. 實驗將帶有放電針的單擺與高壓脈沖的電極相連，在單擺下方放置一勻速運動的紙帶，當單擺振動時，由尖端放電原理可知，在紙帶上將描繪出單擺振動的圖像.

關鍵詞：單擺；圖像描繪；簡諧運動

1制作背景

簡諧運動的圖像是人教版普通高中課程標準實驗教科書《物理》(選修3-4)中的重點和難點，利用簡便的實驗獲得規范的簡諧運動圖像是本節教學的關鍵.

獲得圖像的傳統方法主要有：

1)利用頻閃照相機獲得簡諧運動圖像. 但由于各個學校實驗設備條件限制難以實施，而且不便于課堂教學操作.

2)利用水漏或沙漏在紙上留跡. 該方法由于振子的重心變化或者與白紙之間阻力太大，使振子所作的振動不是真正的簡諧運動，因此在實際操作中得不到標準的正弦(余弦)曲線.

針對傳統描跡方法存在著的弊端，筆者制作了單擺振動圖像描繪實驗儀.

2實驗儀的制作原理

把具有帶放電針的單擺與高壓脈沖的電極相連，將大小合適的紙帶通過紙帶限位孔與卷紙電機相連. 當單擺振動時，接通高壓電源，將其輸出的高壓脈沖加在單擺和振動行程下方的金屬電極上，利用尖端放電原理在勻速前進的紙帶上進行打點留跡，從而描繪出單擺的振動圖像.

3實驗儀的制作方法

實驗儀結構簡圖如圖1所示，實物圖如圖2所示. 用細銅線穿過金屬擺球作為單擺的擺繩，在擺球的下端伸出一小段銅絲用作擺球的放電針；在單擺振動行程的下方固定細窄金屬作為尖端放電的電極；將放電針和金屬放電極用導線分別與高壓電的正、負電極相連；將大小合適的紙帶通過紙帶限位孔與卷紙電機相連；將以上所述具有帶放電針的單擺、金屬放電極、高壓電極接線柱、卷紙電機、紙帶固定支架、紙帶限位孔、單擺固定支架組裝在固定底座上組成實驗裝置.

圖1　實驗儀結構簡圖

圖2　單擺振動圖像描繪實驗儀實物圖

4實際教學的探究過程

1) 將實驗裝置放在水平桌面上，調節平衡螺母調節底座水平.

2)將紙帶一端固定在卷紙機上，另一端穿過限位孔放置在紙帶固定支架上.

3)使單擺在金屬電極上方做簡諧運動，控制振幅的大小與所用紙帶的寬度相匹配.

4)接通高壓脈沖電源，擺球和金屬電極之間產生尖端放電，在二者間的紙帶上留下點跡.

5)再接通卷紙機的電源，使其帶動紙帶勻速運動，尖端放電在勻速紙帶上打點留跡.

6)關閉電源，取下一段長度適中的紙帶.

如圖3示，以紙帶運動方向作為時間t軸，以垂直于時間軸的方向為位移x軸，建立直角坐標系,即得到簡諧運動圖像.

圖3　單擺的振動圖像

5結束語

單擺振動圖像描繪儀為常規儀器的簡單組合，利用尖端放電進行打點，振子在留跡過程中幾乎沒有受到阻力，符合簡諧運動條件. 本裝置能夠快捷地描繪出簡諧運動的圖像，為振動圖像的研究提供了時間保障. 實驗獲得的圖像是正弦曲線，為研究和獲得簡諧運動的規律提供了可靠的依據.

參考文獻：

[1]葉慶峰. 擺球在豎直平面內運動規律演示裝置[J]. 物理實驗，2015，35(8)：21-23.

[2]沈昊. 利用手機研究簡諧運動[J]. 物理實驗，2014，34(4)：15-18.

[責任編輯：尹冬梅]

收稿日期：2016-04-07

作者簡介：劉召新(1979-)，男，浙江余姚人，余姚市第四中學高級教師，學士，從事中學物理教學工作.

中圖分類號：G633.7

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2016)07-0043-02

Self-made plotting instrument for pendulum vibration

LIU Zhao-xin

(No.4 Middle School of Yuyao, Yuyao 315400, China)

Abstract:In order to obtain a clear image of simple harmonic motion, a plotting instrument for pendulum vibration was made. The pendulum with discharge needle was connected to the high voltage pulse electrodes, and paper tap in uniform motion was placed below the pendulum. Based on the principle of point discharge, the vibration curve of the pendulum was plotting on the paper tap.

Key words:pendulum; simple harmonic motion; curve plotting