用激光掃描法合成簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像

肖貴臏，代　偉，段晨靚，李　青，湯　廷

(西華師范大學(xué) 物理與空間科學(xué)學(xué)院,四川 南充 637002)

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用激光掃描法合成簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像

肖貴臏，代偉，段晨靚，李青，湯廷

(西華師范大學(xué) 物理與空間科學(xué)學(xué)院,四川 南充 637002)

針對(duì)傳統(tǒng)簡(jiǎn)諧振動(dòng)圖像演示儀存在的不足，設(shè)計(jì)了激光掃描法簡(jiǎn)諧振動(dòng)圖像演示儀。該演示儀用半導(dǎo)體激光器為光源，通過(guò)激光將豎直方向的簡(jiǎn)諧振動(dòng)和水平方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行合成得到簡(jiǎn)諧振動(dòng)圖像，通過(guò)觀察屏可觀察到光點(diǎn)振動(dòng)展開(kāi)后形成的正弦(或余弦)簡(jiǎn)諧振動(dòng)曲線的全過(guò)程.

激光；簡(jiǎn)諧振動(dòng)；掃描

在現(xiàn)行高中物理演示實(shí)驗(yàn)裝置中，尤其是力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置中，經(jīng)常要演示物體做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)過(guò)程和振動(dòng)曲線. 簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)是最基本的振動(dòng)，許多實(shí)際的周期振動(dòng)雖然不是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，但可以看成多個(gè)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)合成的結(jié)果,同時(shí)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像在高中階段是較為復(fù)雜且重要的圖像,在高考物理試題中出現(xiàn)頻率極高. 因此，熟悉簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，研究簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的合成對(duì)理解機(jī)械振動(dòng)、光波和聲波的干涉和衍射等現(xiàn)象都有重要意義,同時(shí)也有助于提高課堂教學(xué)和高考復(fù)習(xí)備考的效率. 為此，利用激光器、振動(dòng)鏡、電動(dòng)喇叭、調(diào)速電機(jī)、六棱形旋轉(zhuǎn)鏡、垂直光屏等裝置設(shè)計(jì)出了能演示和合成簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)正弦(或余弦)曲線形成過(guò)程的多功能簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)演示儀. 該演示儀可操作性強(qiáng)，演示效果好.

1　現(xiàn)有簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像合成演示儀的不足

高中物理教科版選修3-4第1章第3節(jié)用的小角度擺動(dòng)沙漏來(lái)近似演示簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像. 該方法存在許多不足：

1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確，如單擺易形成圓錐擺；

2)在沙粒下落的過(guò)程中，沙桶重心下降，擺長(zhǎng)變長(zhǎng)；

3)用手拉動(dòng)硬紙板不能保證其勻速前行；

4)沙擺畫(huà)出的圖像只能在水平面上觀察，不能豎直展現(xiàn)給學(xué)生，可見(jiàn)度和觀察效果差；

5)實(shí)驗(yàn)器材零散，不利于搬動(dòng)；

6)實(shí)驗(yàn)不具有拓展性.

2　用激光掃描法合成簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像演示儀的結(jié)構(gòu)

用激光掃描法合成簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像演示儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)物圖如圖2所示.

圖1　激光掃描法合成簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像演示儀

圖2　激光掃描法合成簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像演示儀實(shí)物圖

底座內(nèi)裝有低頻信號(hào)發(fā)生器電路板和調(diào)速電機(jī)(可在0～100 r/min的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)). 底座上安裝有電路板控制開(kāi)關(guān)和頻率調(diào)節(jié)旋鈕，調(diào)速開(kāi)關(guān)用來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也就間接地調(diào)整了旋轉(zhuǎn)六棱鏡的轉(zhuǎn)速. 電動(dòng)喇叭上安裝有振動(dòng)片，振動(dòng)片前端彎成90°并粘有反光鏡片，半導(dǎo)體激光器射出的激光指向反光鏡片并將激光反射到六棱鏡上，然后再經(jīng)六棱鏡反射最終打向光屏.

3　實(shí)驗(yàn)方法

打開(kāi)電路板開(kāi)關(guān)，接通激光器電源，激光射向反光鏡，調(diào)節(jié)頻率調(diào)節(jié)旋鈕使電動(dòng)喇叭振動(dòng)，喇叭振動(dòng)后安裝在喇叭上的振動(dòng)片隨之振動(dòng)，然后帶動(dòng)反光鏡片上下振動(dòng)，調(diào)整好振動(dòng)鏡的位置，使射來(lái)的光點(diǎn)沿豎直方向上下振動(dòng). 做上下往復(fù)振動(dòng)的光點(diǎn)經(jīng)反光鏡反射后打向旋轉(zhuǎn)六棱鏡，此時(shí)打開(kāi)電機(jī)調(diào)速開(kāi)關(guān)并調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)六棱鏡的旋轉(zhuǎn)速度，射向六棱鏡的光點(diǎn)沿水平方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電動(dòng)喇叭的振動(dòng)頻率和六棱鏡的轉(zhuǎn)速調(diào)到合適位置時(shí)，垂直方向的振動(dòng)和水平方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行合成，激光經(jīng)旋轉(zhuǎn)六棱鏡反射后就可在光屏上看到合成后的正弦(或余弦)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像. 波形顯示原理如圖3所示. 調(diào)節(jié)電動(dòng)喇叭的振動(dòng)強(qiáng)度可改變正弦(或余弦)曲線的振幅，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可改變所演示正弦(或余弦)曲線的周期，進(jìn)而改變波形形狀.

圖3　簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)正弦波合成原理圖

4　儀器的優(yōu)點(diǎn)

1) 儀器結(jié)構(gòu)緊湊，用激光演示現(xiàn)象明顯，可見(jiàn)度大，白天的演示效果也很清晰，能激發(fā)學(xué)生的好奇心.

2) 可觀察到光點(diǎn)的振動(dòng)被展開(kāi)成正弦(或余弦)曲線的全過(guò)程，從而加深對(duì)振動(dòng)圖像的理解.

3) 由于光源采用了光線性能較好的半導(dǎo)體激光器，加之垂直屏顯示，所以可見(jiàn)度較大，便于觀察，演示效果較好.

4) 儀器構(gòu)思巧妙，操作方便，演示效果好對(duì)開(kāi)發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)有幫助.

5) 儀器器材簡(jiǎn)單，制作容易，既能用于教師演示實(shí)驗(yàn)，又能用于學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，有利于提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)探究等綜合能力.

5　結(jié)束語(yǔ)

激光掃描法合成簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像演示儀加強(qiáng)了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，對(duì)研究簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和圖像有很大的幫助；通過(guò)演示學(xué)生對(duì)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)正弦(或余弦)曲線形成理解容易，記憶深刻，體現(xiàn)了注重過(guò)程和方法同時(shí)滲透的新課標(biāo)教學(xué)理念，從而使教學(xué)取得了良好的效果. 實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，演示效果明顯，既可以幫助師生自己動(dòng)手制作教具，讓學(xué)生學(xué)會(huì)思考和創(chuàng)新，把理論知識(shí)和生活緊密聯(lián)系起來(lái).

[1]曲忠峰，王佳海，劉繼家. 簡(jiǎn)諧振動(dòng)圖像演示儀[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2002，22(6):33.

[2]鄭澤龍. 用示波器顯示氣墊彈簧振子的運(yùn)動(dòng)圖象[J]. 教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2000，16(9):10-11.

[3]李安福. 用氣墊導(dǎo)軌演示彈簧振子的簡(jiǎn)諧振動(dòng)的方法[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，1984，4(6):262-263.

[4]董永奇，阮海軍，蔡天芳，等. 利用LED燈演示簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成和光的5種偏振態(tài)[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2013，33(11):45-48.

[5]陶震英. 水平方向簡(jiǎn)諧振動(dòng)的DIS實(shí)驗(yàn)[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2009，29(9):26-28.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Image synthesis of harmonic vibration with laser scanning

XIAO Gui-bin， DAI Wei， DUAN Chen-liang， LI Qing， TANG Ting

(College of Physical and Space Science， China West Normal University， Nanchong 637002， China)

Aiming at the problems existing in the traditional harmonic vibration image demonstration device, a demonstrator with laser scanning was designed. The demonstrator used semiconductor laser as light source, and used laser to synthesize the image of simple harmonic vibration in vertical and horizontal directions. The sine (or cosine) curve of simple harmonic vibration could be projected on screen.

laser； harmonic vibration； scanning

2016-04-04；修改日期：2016-05-03

四川省研究生教育改革創(chuàng)新項(xiàng)目(No.445001)

肖貴臏(1990-)，男，四川宜賓人，西華師范大學(xué)物理與空間科學(xué)學(xué)院2015級(jí)研究生.

代偉(1964-),男,四川遂寧人，西華師范大學(xué)物理與空間科學(xué)學(xué)院教授，學(xué)士，主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究.

基礎(chǔ)教育

G633.7

A

1005-4642(2016)09-0042-02