高中物理機(jī)械振動實(shí)驗裝置改進(jìn)初探

趙可萱

摘 要： 高中物理課堂教學(xué)中關(guān)于機(jī)械振動圖像的實(shí)驗教學(xué)較難突破，通過改進(jìn)，解決了三角函數(shù)圖像的分運(yùn)動之一的形成問題;避免了傳統(tǒng)沙漏沙子質(zhì)量的減少對合成圖像的影響;解決了三角函數(shù)圖像的另一個分運(yùn)動的形成問題;通過在滑動件上部設(shè)置可取畫板，方便將畫好的合成圖像取下，便于向同學(xué)展示。

關(guān)鍵詞： 高中物理;機(jī)械振動;三角函數(shù)圖像;合成圖像

三角函數(shù)（也叫做“圓函數(shù)”）是角的函數(shù);它們在研究三角形和建模周期現(xiàn)象和許多其他應(yīng)用中是很重要的。它是學(xué)習(xí)物理知識中波的形成與傳遞的必備知識之一，但由于三角函數(shù)圖像為復(fù)雜的合成運(yùn)動，授課老師難以在黑板上對學(xué)生進(jìn)行演示三角函數(shù)合成運(yùn)動的過程，以及有關(guān)正弦函數(shù)圖像以及余弦函數(shù)圖像之間關(guān)系。

針對上述存在的技術(shù)不足，我研究了一種高中物理機(jī)械振動機(jī)械波教學(xué)演示改進(jìn)裝置，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）解決了滑動件的往復(fù)運(yùn)動問題，且傳動簡單可靠;（2）滑槽桿擺動水平投影寬度小于畫板的寬度值，避免合成圖像的波峰和波谷超出畫板的范圍，影響實(shí)驗演示的結(jié)果;（3）在滑槽桿一側(cè)設(shè)置可自動伸出的筆，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的沙漏漏砂的情況，避免了因為沙子質(zhì)量的減少對合成圖像的影響，而且筆更換方便。

裝置介紹：

圖中：1、機(jī)架;2、滑動件;201、上齒條;202、下齒條;203、凸起;3、第一電動機(jī);4、傳動軸;5、第一齒輪;6、第二齒輪;7、夾緊機(jī)構(gòu);701、搖桿;8、連接件;9、連桿;10、夾緊件;11、畫板;12、滑槽架;1201、第一滑槽;13、曲柄;1301、第一圓柱銷;14、第二電動機(jī);15、滑槽桿;1501、第二滑槽;1502、第三滑槽;16、滑塊;1601、第二圓柱銷;17、筆桿套;18、筆帽;19、壓縮彈簧;20、筆。

使用時，結(jié)合圖1—圖3所示，步驟一，實(shí)驗演示前的準(zhǔn)備工作：將筆帽18從筆桿套17上擰下后，將筆20從筆桿套17下端穿過后，筆20通過壓縮彈簧19將筆帽18連接在一起;將畫板11放置在滑動件2的上方后，使得畫板11處于夾緊機(jī)構(gòu)7的中間，搖動搖桿701，搖桿701，使得搖桿701帶動連接件8運(yùn)動，連接件8通過連桿9帶動夾緊件10運(yùn)動，夾緊件10夾緊畫板11兩側(cè);三角函數(shù)圖像演示準(zhǔn)備操作完畢。

步驟二，結(jié)合圖1和圖3所示，打開第一電動機(jī)3，第一電動機(jī)3通過聯(lián)軸器將動力傳遞給傳動軸4，傳動軸4通過鍵連接將動力傳遞給第一齒輪5和第二齒輪 6，第一齒輪5和第二齒輪6同時運(yùn)動，第一齒輪5和第二齒輪6首先與上齒條201 嚙合運(yùn)動，帶動滑動件2向右運(yùn)動，此時滑動件2通過夾緊機(jī)構(gòu)7帶動畫板11向右勻速直線運(yùn)動;與此同時，打開第二電動機(jī)14的開關(guān)，第二電動機(jī)14通過鍵連接帶動曲柄13作圓周運(yùn)動，通過第一圓柱銷1301與第二滑槽1501的滑動配合，帶動滑槽桿15作以左右往復(fù)擺動，滑槽桿15通過第三滑槽1502與第二圓柱銷1601的滑動配合帶動滑塊16左右在第一滑槽1201中左右往復(fù)運(yùn)動;通過兩種運(yùn)動的合成，最終為三角函數(shù)圖像;在滑槽桿15擺動的過程當(dāng)中，滑槽桿15下端在最低處時，即滑槽桿15下端的速度最大時，壓縮彈簧19壓縮量最大，當(dāng)滑槽桿15下端在兩側(cè)時，滑槽桿15下端的速度最小時，壓縮彈簧的19的壓縮量最小;當(dāng)?shù)谝积X輪5和第二齒輪6剛剛脫離與上齒條201的嚙合后，第一齒輪5和第二齒輪6正好與下齒條202嚙合傳動，使得滑動件2以及畫板11向左運(yùn)動;往復(fù)運(yùn)動的設(shè)計是為了驗證三角函數(shù)圖像，使得數(shù)據(jù)更加具有說服力。當(dāng)圖像演示操作完畢后，關(guān)閉第一電動機(jī)3和第二電動機(jī)14，反向旋轉(zhuǎn)搖桿701，使得夾緊機(jī)構(gòu)7松動后，取下畫板11，向?qū)W生們演示合成的操作即可。根據(jù)實(shí)驗的方案，在第二電動機(jī)14的轉(zhuǎn)速不變的，可變換第一電動機(jī)3的轉(zhuǎn)速，可得到不同周期的三角函數(shù)合成圖像，但波峰和波谷的高度差不變。

該實(shí)驗改進(jìn)裝置通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，解決了三角函數(shù)圖像的分運(yùn)動之一的形成問題;通過在滑槽桿一側(cè)焊接有可自動伸出的筆，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的沙漏漏砂的情況，避免了因為沙子質(zhì)量的減少對合成圖像的影響;通過在機(jī)架底部設(shè)置可左右往復(fù)勻速 運(yùn)動的滑動件，解決了三角函數(shù)圖像的另一個分運(yùn)動的形成問題，而且還可以用來驗證三角函數(shù)圖像的準(zhǔn)確性，使得所得出的數(shù)據(jù)更加具有說服力，更加縝密;結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜，操作比較簡單，從根本上解決了教學(xué)上的困難，更能輕松突破教學(xué)的重難點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐長生.幾何三角函數(shù)演示儀：CN 1989.

[2]徐忠岳，劉靈敏，曾裕，蔣富華.自制簡諧運(yùn)動演示儀.

[3]DL07-EXL-9簡諧運(yùn)動與圓周運(yùn)動的等效演示儀.北京北信科儀分析儀器有限公司.

[4]耿延鋒，李姣，梁亞寧.自制三角函數(shù)演示儀優(yōu)化探究性教學(xué)[J].上海中學(xué)數(shù)學(xué)，2008（5）：5-6.