巧用DISLab改進簡諧振動和阻尼振動的實驗

陳曦 陳劍峰

摘 ? 要：“簡諧振動和阻尼振動”是章節必做的演示實驗。課堂上演示簡諧振動及阻尼振動的圖像實驗存在諸多困難。利用電壓傳感器很巧妙地將物理學中的力學信息轉換為電學信息，對簡諧振動和阻尼振動進行實驗研究。最后將改進的實驗裝置與其他實驗裝置的實驗結果進行比較研究，體現DISLab實驗系統的精確、快捷、方便數字化顯示圖像等優越性。還可拓展研究：簡諧振動的相位、簡諧振動過程中振子的位移與彈簧受力關系的研究和驗證彈簧振子周期的影響因素等。

關鍵詞：簡諧振動;阻尼振動;傳感器;DISLab。

1 ? 該項目選題的確定

課堂上演示簡諧振動及阻尼振動圖像實驗存在諸多困難：振動體的質量隨著沙子的漏出而減少，隨著細沙的流出引起了沙擺重心的降低，使擺長不斷增加，因而影響了擺動的周期 [1 ];沙擺擺動的同時還要放開漏沙口，且還要勻速拉動底部平板，操作上難度很大;有的實驗者改用細鹽代替細沙 [2 ]，也很難控制其流速，而且最后圖像水平放置，觀察者不能直接觀察圖像。且演示不了阻尼振動。

2 ? 設計（或研究）該項目的基本思路

如圖1在玻璃水槽中注入適量的低濃度食鹽水，A、B、C為三根粗銅線做的電極，在A、C的極板間加上一定的電壓，淡鹽水中就可以形成一個均勻的電場。在A、C兩極板的正中間加一極板B，剛好與滑塊上的針尖（彈簧振子）的平衡位置相對應（即為零勢點的位置），如圖2。在中間極板B與針尖引線并聯一個電壓傳感器，如圖3，用來測量針尖與中間極板B（零勢點）間的電壓變化。當彈簧振子振動時，注射器的針尖一直保持浸在淡鹽水中，因U∝d ，故所測量的電壓變化曲線就可以看作彈簧振子位移隨時間變化的圖像。

拓展研究：簡諧振動的相位、簡諧波的疊加、簡諧振動過程中振子的位移與彈簧受力關系的研究和驗證、彈簧振子周期的影響因素等。

3 ? 本實驗簡介

3.1 ? 主器材

朗威DISLab電壓傳感器、采集器、計算機、氣墊導軌及附件、彈簧、軟導線、注射器、水槽、粗銅線、穩壓電源等。

3.2 ? 系統圖（如圖4、圖5）

3.3 ? 操作步驟

a.將電壓傳感器接入數據采集器，選擇“示波顯示”;

b.連接好實驗裝置，電壓傳感器的鱷魚夾與軟導線和B點并聯;

c.調整高度，使彈簧振子振動動過程中注射器針尖始終在水面以下;

d.讓彈簧振子振動，即可得到描述彈簧振子振動的圖像，如圖6;

e.在滑塊上增加砝碼，增大阻力，形成阻尼運動。通過裝置得到描述阻尼振動的圖像如圖7。

f.簡諧振動的相位、簡諧波的疊加、簡諧振動過程中振子的位移與彈簧受力關系的研究和驗證彈簧振子周期的影響因素（步驟省）。

3.4 ? 實驗結論

a.簡諧振動的圖像（如圖6）：b.阻尼振動的圖像（如圖7）：

c. 簡諧振動過程中振子的位移與彈簧受力關系（如圖8）：

4 ? 該項目的主要貢獻（創新部分）

本項目利用DISLab中的電壓傳感器很巧妙地將物理學中的力學信息轉換為電學信息。體現DISLab實驗系統的精確、快捷、方便等優越性。還可拓展研究：簡諧振動的相位、簡諧振動過程中振子的位移與彈簧受力關系的研究和驗證彈簧振子周期的影響因素等實驗。

參考文獻：

[1]陳莉娟，戴普明，楊慧敏. 簡諧振動實驗方法改進研究[J]. 曲靖師范學院學報，2014（3）15-17.

[2]歐麗華. 改進沙漏擺實驗的兩種方法[J]. 物理教學探討，2007（7）：55.