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))