自制新型單擺振動(dòng)圖象描繪實(shí)驗(yàn)儀

劉召新

1制作背景

簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖象是人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)《物理》（選修 3-4）中重點(diǎn)和難點(diǎn)，課堂上利用簡(jiǎn)便的實(shí)驗(yàn)獲得一個(gè)規(guī)范的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖象是本節(jié)課教學(xué)的關(guān)鍵.

傳統(tǒng)的獲得圖象的方法主要是：如圖1，利用頻閃照相機(jī)，但是限于各個(gè)學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件限制難以實(shí)施，而且不便于課堂教學(xué)操作；如圖2和圖

3，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，使其所作的振動(dòng)不是真正的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，因此在實(shí)際操作過(guò)程中根本不能得到規(guī)范的正弦（余弦）曲線.傳統(tǒng)的描跡方法存在著各種各樣的弊端，一直是該部分物理教學(xué)的一個(gè)難以解決的難題.為了克服以上存在的問(wèn)題，本文將介紹一種新型的單擺振動(dòng)圖象描繪實(shí)驗(yàn)儀.

2實(shí)驗(yàn)儀器的制作原理

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(guò)所述紙帶限位孔與卷紙電機(jī)相連；當(dāng)單擺振動(dòng)時(shí)，接通高壓電源，將其輸出的高壓脈沖加在單擺和振動(dòng)行程下方的金屬電極上，利用尖端放電原理在勻速前進(jìn)的紙帶上進(jìn)行打點(diǎn)留跡，從而描繪出單擺的振動(dòng)圖象.

3實(shí)驗(yàn)儀器的制作方法

如圖4，用細(xì)銅線作穿過(guò)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(dòng)行程的下方固定一細(xì)窄金屬作為尖端放電的另一電極；將上述中的放電針和金屬放電極用導(dǎo)線分別與高壓電的正、負(fù)電極相連；將大小合適的紙帶通過(guò)所述紙帶限位孔與卷紙電機(jī)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(jī) 、紙帶固定支架 、紙帶限位孔 、單擺固定支架一起組裝在固定底座上組成一個(gè)整體試驗(yàn)裝置.實(shí)驗(yàn)儀器的各部分名稱和具體結(jié)構(gòu)如圖5.

4實(shí)驗(yàn)儀器的主要結(jié)構(gòu)和功能介紹

（1）帶放電針的單擺. 獲取簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)條件，同時(shí)作為尖端放電的一極.

（2）金屬放電極. 作為尖端放電的另一極.

（3）高壓電極接線柱. 高壓脈沖電的輸出，便于與兩個(gè)放電電極連接.

（4）卷紙電機(jī). 勻速拖動(dòng)紙帶前進(jìn)，符合空間記錄時(shí)間的特點(diǎn).

（5）紙帶固定支架. 固定紙帶盤(pán).

（6）紙帶限位孔. 限制紙帶的直線運(yùn)動(dòng).

（7）單擺固定支架. 為單擺提供固定點(diǎn)，同時(shí)固定脈沖電極導(dǎo)線.

（8）固定底座. 將各部分裝置組成一個(gè)整體，便于使用.

5實(shí)際教學(xué)的探究過(guò)程

（1） 將本實(shí)驗(yàn)裝置放在水平桌面上，調(diào)節(jié)平衡螺母進(jìn)行調(diào)節(jié)水平.

（2）將紙帶一端固定在卷紙機(jī)上，另一端穿過(guò)限位空放置在紙帶固定支架上.

（3）使單擺在金屬電極上方做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，控制振幅的大小與所用紙帶的寬度相匹配.

（4）先接通高壓脈沖電源，擺球和金屬電極之間產(chǎn)生尖端放電，在二者之間通過(guò)的紙帶上留下點(diǎn)跡.

（5）再接通卷紙機(jī)的電源，使其帶動(dòng)紙帶勻速運(yùn)動(dòng)，尖端放電在勻速紙帶上打點(diǎn)留跡.

（6）關(guān)閉電源，取下一段長(zhǎng)度適中的紙帶.如圖6示：以紙帶運(yùn)動(dòng)方向作為時(shí)間t軸，以垂直于時(shí)間軸的方向?yàn)槲灰苮軸，建立直角坐標(biāo)系，即可作為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖象進(jìn)行教學(xué)了.

6該裝置的特點(diǎn)

（1）常規(guī)儀器簡(jiǎn)單巧妙組合，得到極佳實(shí)驗(yàn)效果.

（2）利用尖端放電進(jìn)行打點(diǎn)，留跡過(guò)程對(duì)振子幾乎沒(méi)有阻力，符合簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)條件.

（3）本裝置能夠快捷地描繪出簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖象，為振動(dòng)圖象的研究提供了時(shí)間保障.（本課的重點(diǎn)）

（4）實(shí)驗(yàn)獲得的圖象是正弦曲線，為研究和獲得簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的規(guī)律提供了可靠的依據(jù).（本課的難點(diǎn)）