利用電火花計時器繪制簡諧運動的圖象

葉禮

摘要：介紹了利用學生熟悉的電火花計時器繪制水平彈簧振子的振動圖象的方法、實驗器材、裝置的改裝和實驗步驟，對實驗結果和實驗的拓展性等做了說明.

關鍵詞：電火花計時器；彈簧振子；振動圖象

簡諧運動是高中物理的重要內容，但由于簡諧運動的復雜性又使得學生認識起來困難很大，所以人教課標版選修3-4物理教材《簡諧運動》一節中，通過繪制簡諧運動的圖象使學生能夠直觀地了解簡諧運動.教材中水平彈簧振子的運動圖象是通過傳感器和計算機來實現的，在很多學校由于缺少氣墊導軌和位移傳感器，這個實驗根本無法完成.在浙江版的實驗手冊中是通過數碼相機來完成豎直彈簧振子圖象的繪制，筆者在課堂上也完成了這一實驗，效果很好.但是在課后，有同學提出，數碼照片實際上就是頻閃照片的原理，那打點計時器能完成這個實驗嗎？筆者之后參閱了很多資料，也了解了打點計時器的原理，設計并制作了利用電火花計時器繪制簡諧運動圖象的實驗，這個實驗能夠讓學生直觀地觀察繪制過程，加深理解，實際效果也優于數碼照片法.

1實驗器材及裝置制作

1.1實驗器材

常規器材：彈簧振子（J2201）；氣泵；學生電源（J1202）；電火花計時器；白紙；導電紙；導線若干.

自備器材：電動馬達；奶粉罐（金屬桶）；粗銅絲兩根；自制支架.

1.2裝置實物（圖1）

1.3裝置制作

（1）彈簧振子的改造（實物如圖2所示）：取一根粗銅絲，將其一端打磨成針狀，作為放電針，另一端沿滑塊與彈簧相連.實驗時將電火花計時器輸出端與彈簧相連，相當于與放電針聯通.

（2）記錄桶的制作（實物如圖3所示）：取一個奶粉罐（帶蓋），在其頂和底的圓心處打孔，在底上粘貼一個傳動輪并用一根直銅絲（兩端磨成球面，減少放電）將其穿在自制支架上，使罐體可在支架上的馬達帶動下（電源由學生電源提供，通過調節電壓控制速度）繞直銅絲勻速轉動.桶上覆蓋導電紙，在導電紙上覆蓋白紙.電火花計時器輸出的另一端與直銅絲相連，當閉合電火花計時器的開關時，在放電針和導電紙之間產生高壓脈沖電，從而在白紙上記錄下振子的位置.此處打點的原理和電火花計時器在紙帶上打點原理相同.

2實驗內容和操作步驟

（1）組裝器材：記錄桶的軸線以及彈簧振子的擺放支架等水平，并調節放電針與記錄桶間的距離，使放電現象明顯，打出的點清晰.

（2）接通氣泵電源，使彈簧振子停在平衡位置.

（3）接通電動馬達電源，使奶粉罐勻速轉動，接通打點計時器電源，打出圖4中的橫線，作為時間軸.

（4）斷開電動馬達電源，使彈簧振子離開平衡位置開始振動，接通打點計時器電源，打出圖4中的豎線，作為位移軸.

（5）斷開打點計時器電源，接通電動馬達電源，使奶粉罐勻速轉動，接通打點計時器電源，打出圖4中的曲線.

（6）通過圖象的分析，可知：彈簧振子的振動圖象近似是一條正弦曲線；在平衡位置點跡較疏，最大位移處點跡較密，是一種典型的變速運動.在后續也可以更簡單地分析回復力等.

3實驗拓展及缺點

3.1繪制單擺的振動圖象

通過沙擺或漏斗擺來完成單擺的圖象.因為擺的質量變化帶來學生的困惑，可利用這個裝置描述單擺的振動圖象，只要對擺球做相應的處理即可，實驗裝置如圖5所示.

3.2實驗裝置的缺點

（1）本實驗中各電極均外露，操作不當易觸電，在下一步改進中應當做好電極的保護.

（2）因為粗銅絲的氧化，連續工作一段時間后，打點的效果將大打折扣，所以在實驗前需要打磨粗銅絲.endprint