轉鼓式單擺簡諧運動圖像演示器

蔣煌延

項目研制背景

簡諧運動（亦稱簡諧振動），是最基本、最簡單的機械振動，弄清簡諧運動的規(guī)律對進一步學習機械波、交流電、電磁波等具有非常重要的意義，簡諧運動的圖像描述是高中物理的重點知識之一。現行高中物理教材大多選用單擺簡諧運動圖像的演示實驗。

由于沒有實用可靠的實驗儀器，現行教材大多采用沙擺、墨水擺等需自行組裝的裝置，應該說是無奈的選擇。物理教學及實驗人員從未間斷對單擺簡諧運動圖像演示儀器的研制，各種各樣的演示方法及裝置，經常發(fā)表和出現在相關的學術期刊或專利文獻中。這些研制結果一般都有操作控制難度大、繪制的圖形不規(guī)整、圖像的可視性差、裝置運行的故障率高等缺陷，離實用、好用的標準尚存在很大差距。

項目基本原理

現行教材是從運動學角度定義簡諧運動，把物體運動時位移與時間的關系遵從正弦函數規(guī)律的振動稱為簡諧運動。也可以說，簡諧運動的圖像是一條正弦（或余弦）曲線，這一圖像直觀地表示了作簡諧運動物體的位移隨時問按正弦（或余弦）規(guī)律變化。單擺振動可看作是簡諧運動的條件是最大擺角a<5°。

轉鼓式走帶機構是本項目最重要的創(chuàng)新設計之一，其設計基本原理是：若使繪圖面的速度方向與單擺擺動面互相垂直，仍可滿足單擺簡諧運動圖像繪制的必要條件，因此能夠以“轉鼓”的轉動式走帶替代現行通用的平移式走帶。

技術現狀分析與基本方案選擇

作者通過對現有各種儀器案例的分析，確定以實用性作為設計原則，針對現有儀器存在的操作難、圖像差、故障多三大缺陷，提出采用由低速電機直接驅動的轉鼓式走帶裝置、氣壓穩(wěn)壓式噴水仿宣紙水寫布圖像繪制裝置、擺長可調式單擺裝置、可調磁吸式啟擺裝置等組合而成的設計方案。

儀器研究與設計制作

轉鼓式走帶裝置的設計制作

本研制項目最具創(chuàng)新意義的設計就是用轉動式轉鼓走帶機構替代通行的平移式傳送帶走帶機構。轉鼓式走帶裝置結構非常簡單，即特定轉速的電機直接驅動與之相配套直徑的轉鼓（圓筒），不外設任何變速、傳動機構。轉鼓式走帶裝置原理示意圖見圖1。也就是說，轉鼓轉動時，繪圖面的運動方向總是與單擺擺動面互相垂直，滿足了獲取單擺簡諧運動圖像的必要條件。

這一創(chuàng)新性設計，改變了繪圖帶的運行方式，大大簡化了儀器的機械傳動結構，不僅使繪圖帶的運行更加平穩(wěn)，獲得的正弦曲線精確規(guī)范，而且儀器運行時故障率極低。

電機的型號和轉鼓的尺寸既互相關聯，又相互制約。電機轉速確定之后，選購部分較適合的電機品種進行技術性能方面的檢測，并綜合考慮制造成本，最終選定50KTYZ型永磁同步電機作為本儀器的驅動電機。

轉鼓實際上是一個圓筒形殼體。本項目使用的轉鼓是利用現成的圓形金屬盒制作的，轉鼓的尺寸為直徑27.0cm、筒高8.2cm。

轉鼓式走帶裝置是采用電機直接驅動轉鼓的傳動方式，制作時只需將電機轉軸直接與轉鼓中心套緊連接即可。

氣壓穩(wěn)壓式清水-仿宣紙水寫布圖像繪制機構的設計與制作

機構和材料選用的對比優(yōu)勢

采用氣壓穩(wěn)壓式（噴）清水仿宣紙水寫布圖像繪制機構是本儀器的另一重要創(chuàng)新性設計。該方案描跡過程是：將清水以“噴”（而非“畫”）的方式滲進仿宣紙水寫布，從而顯示出圖像。由于描跡時作圖用具與圖面不直接接觸，不會有由于筆和圖面之間的摩擦產生線條變形的現象。

本儀器使用仿宣紙水寫布充當繪圖帶材料，優(yōu)勢十分明顯：①顯現的圖像清晰、曲線順暢、可視性高；②以清水取代墨水，既不會產生噴嘴被墨汁沉淀物堵塞的問題，又不用擔心弄臟衣服、污染環(huán)境，操作更加自如；③水寫布可反復使用，使用成本很低。

氣壓穩(wěn)壓式噴水裝置的設計制作

噴水裝置包括加壓球、氣體分路器（四通）、氣壓表、卸壓電磁閥、加壓貯水輸水瓶、輸水閥和輸水管等部件。

制作完成的氣壓穩(wěn)壓式噴水裝置如圖2。需要特別說明的是，在本項目設計中，噴水裝置與單擺裝置的結合，不是整體結合，而是將分別獨立的2個裝置進行連接組合，具體制作方法是，在擺錘的豎直中心方向打1個小孔，然后，將已經連接在細軟管的噴水器，向下穿過小孔直達擺錘底部。

繪圖帶的設計制作

由于繪圖帶是貼合于轉鼓的，所以，設計時繪圖帶的寬度一般與轉鼓的筒高相當，長度則應略小于轉鼓的圓周長，留有操作空間。本儀器轉鼓的尺寸為直徑27.0 cm（周長85 cm）、筒高8.2 cm，則繪圖帶的尺寸設定為長75 cm，寬8.0～8.5 cm。

按以上設定的尺寸剪1塊仿宣紙水寫布，在水寫布的始端和終端背面，用軟性黏結劑（如氯丁膠）粘上1條窄窄的魔術貼條（與轉鼓所用的魔術貼帶可相互搭扣），制作即告完成。

整機的裝配設計與制作

整機的裝配過程就是將構成儀器的所有器件和元件，按照科學合理的方法進行布局和安裝。本項目裝配設計亦遵循“操作簡單順手、圖像觀察方便、結構美觀緊湊”的實用性原則。圖3為本儀器的整機照片，左側為正面，右側為左立面。

整機在裝配時，所有元器件均裝搭在一塊扁平狀盒式底座上，可將裸露的開關接口、電器連接接頭及導線置于盒腔內，既安全美觀又不影響裝置的穩(wěn)固性；電器開關（按鈕）設于底座正面前端，加壓球置于正面前端的最右邊，便于進行實驗操作（大部分人習慣右手操作）；轉鼓的圓立面正對操作者，便于進行拆換繪圖帶、調整擺錘位置等操作。轉鼓設定為逆時針轉動，轉鼓的左側立面朝向觀察者（學生），以便于觀察；繪圖時曲線走向由下至上（由左向右）；氣壓調控系統各器件按流程順序沿底座周邊排布安裝，不交錯，不折返，布局合理，美觀緊湊。

項目技術成果

儀器主要技術指標

單擺擺長調節(jié)范圍：25.0～50.0cm

繪圖帶尺寸：長×寬=75.0cm×8.5cm

單擺振幅：≤8.2Cm

可顯示完整周期的曲線數量：≥3個

顯像時間（與環(huán)境溫濕度有關）：10～15min

儀器的特點和優(yōu)勢

與現行各種直接繪圖法制作的單擺簡諧運動圖像演示器（包括定型產品和文獻可查的新型制作案例）對比，本儀器具有演示功能獨特實用、操作過程簡單易控、圖像規(guī)范顯現易視、設備運行平穩(wěn)耐用、安全環(huán)保干凈衛(wèi)生等優(yōu)點。

演示功能實用。既可立面演示，即時觀察單擺運動及其圖像繪制過程；也可取下繪圖帶，展開圖面，對曲線進行整體觀察分析；還可以通過“停擺”操作，繪制曲線的x軸線（0-t時間軸線），獲得完整的函數圖像。

操作簡單易控。手動掛擺、加壓后，按一定的順序按動相應的電氣開關即可。

圖像質量上乘。本儀器獲得的函數曲線圖像，曲線的等幅性和等時性都十分準確，線條粗細均勻連續(xù)，平滑順暢，在同類制作中處領先水平。

機械故障率低。儀器繪圖帶的運行采用低速電機直接驅動方式，不外設任何減速或傳送機械裝置，除非電機故障，否則機械自身故障率極低。

安全環(huán)保經濟。清水-水寫布作繪圖材料，實驗時干凈衛(wèi)生。水跡干燥后圖像消失，不留痕跡，可進行下一次實驗，因此繪圖材料可反復循環(huán)使用。

項目技術創(chuàng)新

本研制項目融匯多項創(chuàng)新與改進設計，突破長期困擾直接繪圖式單擺簡諧運動圖像演示器制作中的操作難、圖像差、故障多等三大技術難關，使儀器成為能夠走進課堂、實用可靠的演示教具。

以下為本項目原創(chuàng)的關鍵技術設計和重大改進設計。

轉鼓式走帶機構。替代通行的傳送帶式平移機構，通過改變繪圖帶的運行方式，有效簡化機械結構，不僅使繪圖帶的運行更加平穩(wěn)，獲得的正弦曲線精確規(guī)范，而且儀器使用時運行平穩(wěn)，故障率極低。

清水-水寫布圖像繪制機構。清水繪圖，操作時不會產生污染，經濟環(huán)保；新型材料水寫布的應用，使繪制的圖像更加清晰，并可反復循環(huán)使用，使用成本低廉。

氣壓式穩(wěn)壓輸水系統。可有效調節(jié)和穩(wěn)定噴水流量，使繪制的圖像線條粗細均勻、連續(xù)順滑、規(guī)整美觀。

可調節(jié)型單擺支架。可伸縮的管件套合式設計，立桿高度方便調節(jié)，儀器具備不同擺長單擺簡諧運動圖像曲線的對比演示功能。

可調磁吸式擺錘啟擺機構。可靈活調整單擺擺角和擺幅，準確定位擺錘起擺點，使描繪的曲線精確規(guī)范，實驗圖像的可再現率高。

該項目獲得第30屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎。

專家評語

該項目原理科學，概念清晰，構思巧妙，設計合理，教育性強。選題新穎，具有實質性創(chuàng)新，對傳統方法有突破。作品效果顯著，制作規(guī)范，具有示范推廣價值，希望該項目在操作便捷性方面作出改進和提升。