簡諧運動實驗裝置的改進

毛國方

(丹陽市第五中學 江蘇 鎮江 212300)

簡諧運動實驗裝置的改進

毛國方

(丹陽市第五中學 江蘇 鎮江 212300)

1 引言

人教版高中《物理·選修3-4》中研究簡諧運動，主要是利用擺錘或振動裝置做簡諧運動，觀察其運動隨時間的變化規律.常用的“漏沙法”形象直觀，但是痕跡不能保存，同時隨著沙子的漏出，擺錘的重心、等效擺長都不斷地發生改變；電火花描跡法、DIS實驗雖然能很好地保留圖像的痕跡，但是學生們對于圖像的形成過程不太清楚.針對以上不足，我對實驗裝置進行了改進，設計出一套既能清楚直觀看到圖像的形成過程，又能保留痕跡、便于控制的簡諧運動實驗裝置，在實驗過程中取得了較好的效果.

2 制作材料的準備

亞克力板面，木工板，輸液軟膠管(帶針頭)，等徑止流閥，儲液瓶，重錘，帶螺紋的金屬桿，帶減速裝置的微型電動機，同步輪及皮帶，調速器2個，金屬滾輪4個，微型氣泵1個，導線、螺母、粘合劑等輔助材料若干.

3 實驗裝置的制作與安裝

3.1 液體噴射裝置的制作

所制教具需要能描繪出較清晰的圖像，而繪制圖像的載體選用液體是最佳的，因為液體能很快被紙張吸收，從而方便展示其繪制出的圖像效果.但液體流量大小的控制是最大的問題，由于注射器針頭很細，因此液體從針頭流出是比較理想的選擇.液體僅在重力的作用之下可以自動流出，但在實驗過程中要根據需要控制液體的流出比較困難，因此，筆者在注射器針頭里加塞細銅絲(多芯線中剝取)，直至不能再塞入為止(大約能塞4至5條), 此時液體僅在重力的作用之下不能自動流出，通過輸液軟管連接一微型氣泵進行加壓,這樣在氣泵加壓時, 軟管內的液體能以很細的水柱沿著針尖流出,當氣泵不工作時,液體停止流出,從而便于液體噴射的控制.

3.2 運動平板小車的制作

重物在豎直平面內做簡諧運動時，其繪制出的軌跡仍只是一條線段，要繪制出正(余)弦函數圖像，必須下方的紙張要能做勻速直線運動，主要是要求帶動紙張運動的牽引裝置要能做勻速運動.直接通過小電動機帶動時，由于轉速快，扭力矩又比較小，所以其牽引效果極不穩定，筆者通過帶減速裝置的微型電機牽引，很好地解決了牽引不穩的問題；同時在電機供電電路中串接一調速器，從而控制電機牽引速度的大小.制作的平板小車底部如圖1所示.

圖1 平板小車底部

3.3 實驗裝置的安裝

把重錘中間開孔，插入針頭，使針頭探出，然后用明膠固定；將軟膠管與針頭、等徑止流閥、儲液瓶、微型氣泵連接，形成液體噴射回路；將調速器、微型氣泵、電源連接，形成液體噴射控制回路；將金屬軌道固定于底板上，使運動平板小車架于金屬軌道上，金屬軌道與底板下方的電源和小車運動控制調速器相連接，形成勻速牽引裝置回路.整體連接效果如圖2所示.

圖2 裝置連接示意圖

4 實驗裝置的使用

(1)將本教具放置在水平桌面上，使擺球運動，打開微型氣泵開關，使液體噴出，平板小車不動,觀察在白紙上描繪的圖像(白紙鋪在平板小車表面).

(2)使擺球運動，打開微型氣泵開關，使液體噴出，同時打開平板小車驅動電機，使白紙隨平板小車做勻速運動，觀察在白紙上描繪的圖像.

(3)使擺球運動，打開微型氣泵開關，使液體噴出，調節平板小車驅動電機運動速度，使白紙隨板做較大速度的勻速運動，觀察描繪的圖像.

(4)調節橫梁高度，使細線擺長變大，然后使擺球運動，打開微型氣泵開關，使液體噴出，同時打開平板小車驅動電機，使白紙隨平板小車做勻速運動，觀察在白紙上描繪的圖像.

附：實物裝置圖片(圖3)

圖3 裝置實物圖

2016-09-18)