简谐运动图像描绘 [描绘简谐运动图像实验的新方法]
时间：2019-01-30 03:42:05 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
作者在讲授“简谐运动的图像”时感到描绘简谐运动图像的实验操作不够方便，描出的图像不便于分析，因而对实验装置进行了改进。按本文方法改进制作的“简谐运动的图像描绘仪”，结构科学合理，使用方便，效果极佳，介绍如下：�
1 实验改进的必要性�
在高中物理（人教版，试验修正本・必修加选修）第九章“机械振动”第三节“简谐运动的图像”和第四节“单摆”中，有描绘简谐运动图像的实验。教材中采用记录笔和沙摆来描绘图像。该实验中存在以下几个缺陷：�
①记录笔和纸带间的摩擦将会使振动的振幅迅速减少而成为阻尼振动。如果记录笔和纸带间接触太少又可能描不出图像，或描出的图像断断续续；�
②沙摆在实验时很难控制出沙量；�
③沙摆描出的图像难以展示，不便于分析；�
许多参考书、杂志上把实验装置改进为墨水摆，笔者经过多次实验、分析发现缺点也不少，因此，有必要对实验进行全面改进。�
2 改进思路与方案�
笔者在医院看到医生给病人作心电图的情景：心电图仪把由传感器送来的心跳信号转化为电信号，记录在纸带上，由传送装置将纸带匀速送出。笔者由此受到启发：如果用“电信号”把弹簧振子或单摆的振动情况记录下来，再用传送装置将纸带送出，不就解决了“沙摆”“墨水摆”存在的许多问题吗？经过很长时间的分析、设计、实验，终于得到了满意效果；改进方案为：�
①用电火花“打点”代替流沙、记录笔等描图像。这是本实验改进最关键之点，也是本实验改进最具特色之处；�
②用细软导线作摆绳，既作单摆线又作导电线；�
③为了使单摆摆动时不成圆锥摆，用双线摆代替单摆或用电磁铁控制单摆启动；（本人用电磁铁控制单摆启动，效果好。）�
④用电动机、皮带、弹簧、压带轮等组成的传送装置代替手动，将纸带匀速送出。�
3 具体制作方法�
如图所示，用绝缘木材（或塑料、橡胶等）做框架、底板，底板上安装电机（收录机电机即可）、轴承及支架、单刀双掷开关等，轴下边安装压带轮（经实验：收录机压带轮即可，放像机压带轮更好），压带轮下装两个弹簧，使压带轮与轴之间有一定压力，可顺利地将纸带送出，底板上放一铁板，两边做限位槽（经实验：若压带轮与轴安装得好，可不要限位槽），上面垫导电纸（做等势线实验用的导电纸即可，黑色导电层朝上），导电纸上放纸带，两橡皮条轻压在纸带上（目的是使纸带与导电纸接触良好，电火花“打点”清晰）， 摆线用细软金属线，摆球下安装放电针。架框下部适当位置一侧安装弹簧振子(图中未画出)，电子开关式高压感应圈（如果没有，可用电火花计时器代替，只是打点太细，效果差些．）两高压端分别接在摆线（或弹簧振子）和底板上的铁板上。�
4 调试�
4.1 将纸带置于压带轮与轴之间，调节压带轮下弹簧长度，以调节压带轮与轴之间的压力，接通电源，闭合开关K至2位置，使纸带运行平稳匀速。�
4.2 调节弹簧振子的长度，使弹簧振子小球位于纸带中线上方；调节摆线的位置和长度，使平衡时摆球位于纸带中线上方；调节单摆和弹簧振子的放电针到纸带间距离（约2mm~5mm），开启高压圈电源，拉动纸带，使之在纸带上“打出”清晰的点。�
4.3 装好长纸带，振动弹簧振子或单摆，然后依次开启电机和高压感应圈电源，试打一条纸带，看纸带上“打出”的曲线是否圆滑清晰，峰 - 峰间距离是否适当，若不适当还需按如下步骤进行调整：�
①曲线不圆滑说明送带不稳，原因是压带轮与轴之间压力不适当，应重新调整压带轮与轴间的压力，也可能是电机转速不稳，应调换成能自动稳速且能调速的电机。�
②点迹不清晰则应调节放电针与纸带间距离、高压极性、高压圈输出电压高低。�
③曲线的峰与峰间距离过大或过小，则调节电机转速和摆线长度。�
5 实验操作�
调试完毕即可进行正式实验，实验时操作步骤如下：�
①将长纸条（长约1m，宽约7~8cm，与铁板上两限位槽间距离相等，可用电脑打印纸4~5折，裁成3条）穿过橡皮条压在导电纸上，并将纸带导入压带轮与轴之间。�
②接好高压圈引线，将电子感应圈插头插入交流220V插座，电机、电磁铁电源开关K置于1位置，使电磁铁通电吸住摆球，用手轻按纸带送带端。�
③将开关K置2位置使单摆振动、电机转动，再打开高压电源，松开纸带，然后轻接纸带的出带端以免纸带过长而阻碍出带。�
④纸带“打点”完后先关闭高压电源，压带轮送完纸带后切断电机电源。�
⑤将纸带反过来切去开头一小段即可得到一条很标准的正弦（余弦）图线，可分段分发给学生分析研究。�
6 主要优点�
①科学性强，排除过去实验装置在描图时由于阻力、质量改变带来的影响。因无接触而避免了摩擦阻力，单摆振动时，摆球仅受微弱的空气阻力，在打出的长达1m的纸带上看不出振幅的变化。�
②弹簧振子和单摆振动图像描绘装置合二为一，提高了仪器设备的利用率。�
③所绘图线极其清晰、美观、标准，一次能“打”一条很长的纸带，便于分发给学生观察分析研究。�
④活动横梁，则能任意改变摆长，可让学生观察分析在不同摆长下单摆振动图像，调节电机转速可调节图像峰与峰间距离，延伸了实验功能。�
⑤设备制作完好后易重复实验，成功率极高（接近100％）。�
⑥应用了多方面知识，趣味性与科学性融合在一起，能激发学生学习兴趣。�
⑦比墨摆、沙摆等装置干净、清洁得多，使用也很方便。�
7 注意事项�
①本实验用高压圈一定要注意绝缘良好，从感应圈向摆线（弹簧振子）和底板的引线应采用彩电高压线。�
②操作时应注意不触及高压部位。�
③“打”两条纸带后应稍微移动导电纸位置，以保证“打点”清晰、美观。�
④如果实验中单摆摆动不规则成了圆锥摆可换成双线摆。�
⑤如遇天气潮湿，可能出现打点模糊的现象，可用电吹风将导电纸、纸带等烘干。这样就会使描绘的图象十分清晰美观。�
8 建议�
本装置科学、新颖，效果特好，今后还可以进一步改进。使之小型化，一体化。这样可使设备结构紧凑，便于教学仪器厂批量生产。�
另外，欢迎生产厂家与我联系!
(栏目编辑王柏庐)
