描繪單擺振動圖像的新實驗裝置

尹高生

(安徽師范大學物理與電子信息學院,安徽蕪湖 241000)

人教版高中物理選修(3-4)第11章第4節中,描繪單擺振動圖像的演示實驗在實際操作時,存在諸多不足:(1)白紙在水平面內拖動,全班學生未必都能看清圖像的形成過程.(2)注射器內的墨水不易控制而流動不止,容易把紙面弄臟.(3)勻速拖動白紙很難把握,使得圖像準確度欠佳.

為克服以上問題,筆者設計了一個新的實驗裝置.

1 實驗裝置

如圖1所示,在奶粉罐上下底的圓心處各鉆一個小孔,把圓心有孔的木制定滑輪用強力膠粘在桶底上,使定滑輪的圓心和桶底的圓心重合,然后用8號鐵絲緊緊穿過奶粉罐上下底的圓心,做成一個滾筒.再將滾筒兩端的鐵絲插進支架豎桿的小孔中,使滾筒能自由轉動.在支架的底板上安裝一個小電動機(可從廢舊的“隨身聽”上拆下),將橡皮筋套在滾筒和小電動機的滑輪上.用水泥做一個直徑上有孔的擺球,并在孔的兩側各安裝一個金屬小鉤.然后用細線把擺球系在支架的橫梁上.將醫用一次性輸液管上的翼形針頭插入擺球的小孔中,并將翼形針上端的毛細管與注射器相接.

圖1

2 實驗步驟

(1)在滾筒上圍上一周白紙,在白紙的接頭處用膠帶固定.

(2)將注射器注入適量的紅墨水.

(3)啟動電機,滾筒勻速轉動,將擺球拉離平衡位置后釋放,輕輕推壓注射器柱塞,針頭射出極細的水流,在白紙上畫出圖像.

(4)讓擺球靜止在平衡位置,啟動電機,推壓注射器,畫圖像的“時間軸”.

(5)關閉電機,用手轉動滾筒,讓白紙接頭附近的“零位移”停在靜止的擺球下方.然后將擺球拉離平衡位置后釋放,并推壓注射器,畫圖像的“位移軸”.

(6)從滾筒上取下白紙,展示一副比較理想的振動圖像.

3 注意事項

(1)水泥球質量稍大些,線要盡量細.

(2)滾筒上的定滑輪直徑稍做大一些,以確保其慢速轉動.

(3)選取吸水性較好的白紙.

4 實驗裝置優點

(1)操作簡便,演示過程直觀明顯,學生能清晰地看到圖像描繪的全過程.

(2)注射器內的墨水容易控制,白紙近似勻速轉動,可以更準確地描繪出圖像.