描繪簡諧運動圖像實驗的新方法

作者在講授“簡諧運動的圖像”時感到描繪簡諧運動圖像的實驗操作不夠方便，描出的圖像不便于分析，因而對實驗裝置進行了改進。按本文方法改進制作的“簡諧運動的圖像描繪儀”，結構科學合理，使用方便，效果極佳，介紹如下：

1 實驗改進的必要性

在高中物理（人教版，試驗修正本·必修加選修）第九章“機械振動”第三節“簡諧運動的圖像”和第四節“單擺”中，有描繪簡諧運動圖像的實驗。教材中采用記錄筆和沙擺來描繪圖像。該實驗中存在以下幾個缺陷：

①記錄筆和紙帶間的摩擦將會使振動的振幅迅速減少而成為阻尼振動。如果記錄筆和紙帶間接觸太少又可能描不出圖像，或描出的圖像斷斷續續；

②沙擺在實驗時很難控制出沙量；

③沙擺描出的圖像難以展示，不便于分析；

許多參考書、雜志上把實驗裝置改進為墨水擺，筆者經過多次實驗、分析發現缺點也不少，因此，有必要對實驗進行全面改進。

2 改進思路與方案

筆者在醫院看到醫生給病人作心電圖的情景：心電圖儀把由傳感器送來的心跳信號轉化為電信號，記錄在紙帶上，由傳送裝置將紙帶勻速送出。筆者由此受到啟發：如果用“電信號”把彈簧振子或單擺的振動情況記錄下來，再用傳送裝置將紙帶送出，不就解決了“沙擺”“墨水擺”存在的許多問題嗎？經過很長時間的分析、設計、實驗，終于得到了滿意效果；改進方案為：

①用電火花“打點”代替流沙、記錄筆等描圖像。這是本實驗改進最關鍵之點，也是本實驗改進最具特色之處；

②用細軟導線作擺繩，既作單擺線又作導電線；

③為了使單擺擺動時不成圓錐擺，用雙線擺代替單擺或用電磁鐵控制單擺啟動；（本人用電磁鐵控制單擺啟動，效果好。）

④用電動機、皮帶、彈簧、壓帶輪等組成的傳送裝置代替手動，將紙帶勻速送出。

3 具體制作方法

如圖所示，用絕緣木材（或塑料、橡膠等）做框架、底板，底板上安裝電機（收錄機電機即可）、軸承及支架、單刀雙擲開關等，軸下邊安裝壓帶輪（經實驗：收錄機壓帶輪即可，放像機壓帶輪更好），壓帶輪下裝兩個彈簧，使壓帶輪與軸之間有一定壓力，可順利地將紙帶送出，底板上放一鐵板，兩邊做限位槽（經實驗：若壓帶輪與軸安裝得好，可不要限位槽），上面墊導電紙（做等勢線實驗用的導電紙即可，黑色導電層朝上），導電紙上放紙帶，兩橡皮條輕壓在紙帶上（目的是使紙帶與導電紙接觸良好，電火花“打點”清晰）， 擺線用細軟金屬線，擺球下安裝放電針。架框下部適當位置一側安裝彈簧振子(圖中未畫出)，電子開關式高壓感應圈（如果沒有，可用電火花計時器代替，只是打點太細，效果差些．）兩高壓端分別接在擺線（或彈簧振子）和底板上的鐵板上。

4 調試

4.1 將紙帶置于壓帶輪與軸之間，調節壓帶輪下彈簧長度，以調節壓帶輪與軸之間的壓力，接通電源，閉合開關K至2位置，使紙帶運行平穩勻速。

4.2 調節彈簧振子的長度，使彈簧振子小球位于紙帶中線上方；調節擺線的位置和長度，使平衡時擺球位于紙帶中線上方；調節單擺和彈簧振子的放電針到紙帶間距離（約2mm~5mm），開啟高壓圈電源，拉動紙帶，使之在紙帶上“打出”清晰的點。

4.3 裝好長紙帶，振動彈簧振子或單擺，然后依次開啟電機和高壓感應圈電源，試打一條紙帶，看紙帶上“打出”的曲線是否圓滑清晰，峰 - 峰間距離是否適當，若不適當還需按如下步驟進行調整：

①曲線不圓滑說明送帶不穩，原因是壓帶輪與軸之間壓力不適當，應重新調整壓帶輪與軸間的壓力，也可能是電機轉速不穩，應調換成能自動穩速且能調速的電機。

②點跡不清晰則應調節放電針與紙帶間距離、高壓極性、高壓圈輸出電壓高低。

③曲線的峰與峰間距離過大或過小，則調節電機轉速和擺線長度。

5 實驗操作

調試完畢即可進行正式實驗，實驗時操作步驟如下：

①將長紙條（長約1m，寬約7~8cm，與鐵板上兩限位槽間距離相等，可用電腦打印紙4~5折，裁成3條）穿過橡皮條壓在導電紙上，并將紙帶導入壓帶輪與軸之間。

②接好高壓圈引線，將電子感應圈插頭插入交流220V插座，電機、電磁鐵電源開關K置于1位置，使電磁鐵通電吸住擺球，用手輕按紙帶送帶端。

③將開關K置2位置使單擺振動、電機轉動，再打開高壓電源，松開紙帶，然后輕接紙帶的出帶端以免紙帶過長而阻礙出帶。

④紙帶“打點”完后先關閉高壓電源，壓帶輪送完紙帶后切斷電機電源。

⑤將紙帶反過來切去開頭一小段即可得到一條很標準的正弦（余弦）圖線，可分段分發給學生分析研究。

6 主要優點

①科學性強，排除過去實驗裝置在描圖時由于阻力、質量改變帶來的影響。因無接觸而避免了摩擦阻力，單擺振動時，擺球僅受微弱的空氣阻力，在打出的長達1m的紙帶上看不出振幅的變化。

②彈簧振子和單擺振動圖像描繪裝置合二為一，提高了儀器設備的利用率。

③所繪圖線極其清晰、美觀、標準，一次能“打”一條很長的紙帶，便于分發給學生觀察分析研究。

④活動橫梁，則能任意改變擺長，可讓學生觀察分析在不同擺長下單擺振動圖像，調節電機轉速可調節圖像峰與峰間距離，延伸了實驗功能。

⑤設備制作完好后易重復實驗，成功率極高（接近100％）。

⑥應用了多方面知識，趣味性與科學性融合在一起，能激發學生學習興趣。

⑦比墨擺、沙擺等裝置干凈、清潔得多，使用也很方便。

7 注意事項

①本實驗用高壓圈一定要注意絕緣良好，從感應圈向擺線（彈簧振子）和底板的引線應采用彩電高壓線。

②操作時應注意不觸及高壓部位。

③“打”兩條紙帶后應稍微移動導電紙位置，以保證“打點”清晰、美觀。

④如果實驗中單擺擺動不規則成了圓錐擺可換成雙線擺。

⑤如遇天氣潮濕，可能出現打點模糊的現象，可用電吹風將導電紙、紙帶等烘干。這樣就會使描繪的圖象十分清晰美觀。

8 建議

本裝置科學、新穎，效果特好，今后還可以進一步改進。使之小型化，一體化。這樣可使設備結構緊湊，便于教學儀器廠批量生產。

另外，歡迎生產廠家與我聯系!

(欄目編輯王柏廬)