自制新型單擺振動圖象描繪實驗儀

劉召新

1制作背景

簡諧運動的圖象是人教版普通高中課程標準實驗教科書《物理》（選修 3-4）中重點和難點，課堂上利用簡便的實驗獲得一個規范的簡諧運動圖象是本節課教學的關鍵.

傳統的獲得圖象的方法主要是：如圖1，利用頻閃照相機，但是限于各個學校實驗設備條件限制難以實施，而且不便于課堂教學操作；如圖2和圖

3，利用水漏或沙漏在紙上留跡，該方法由于振子的重心變化或者與白紙之間阻力太大，使其所作的振動不是真正的簡諧運動，因此在實際操作過程中根本不能得到規范的正弦（余弦）曲線.傳統的描跡方法存在著各種各樣的弊端，一直是該部分物理教學的一個難以解決的難題.為了克服以上存在的問題，本文將介紹一種新型的單擺振動圖象描繪實驗儀.

2實驗儀器的制作原理

把具有帶放電針的單擺與高壓脈沖的電極相連，將大小合適的紙帶通過所述紙帶限位孔與卷紙電機相連；當單擺振動時，接通高壓電源，將其輸出的高壓脈沖加在單擺和振動行程下方的金屬電極上，利用尖端放電原理在勻速前進的紙帶上進行打點留跡，從而描繪出單擺的振動圖象.

3實驗儀器的制作方法

如圖4，用細銅線作穿過金屬擺球作為單擺的擺繩，在擺球的下端伸出一小段銅絲用作擺球的放電針；在單擺振動行程的下方固定一細窄金屬作為尖端放電的另一電極；將上述中的放電針和金屬放電極用導線分別與高壓電的正、負電極相連；將大小合適的紙帶通過所述紙帶限位孔與卷紙電機相連；將以上所述具有帶放電針的單擺 、金屬放電極 、高壓電極接線柱 、卷紙電機 、紙帶固定支架 、紙帶限位孔 、單擺固定支架一起組裝在固定底座上組成一個整體試驗裝置.實驗儀器的各部分名稱和具體結構如圖5.

4實驗儀器的主要結構和功能介紹

（1）帶放電針的單擺. 獲取簡諧運動條件，同時作為尖端放電的一極.

（2）金屬放電極. 作為尖端放電的另一極.

（3）高壓電極接線柱. 高壓脈沖電的輸出，便于與兩個放電電極連接.

（4）卷紙電機. 勻速拖動紙帶前進，符合空間記錄時間的特點.

（5）紙帶固定支架. 固定紙帶盤.

（6）紙帶限位孔. 限制紙帶的直線運動.

（7）單擺固定支架. 為單擺提供固定點，同時固定脈沖電極導線.

（8）固定底座. 將各部分裝置組成一個整體，便于使用.

5實際教學的探究過程

（1） 將本實驗裝置放在水平桌面上，調節平衡螺母進行調節水平.

（2）將紙帶一端固定在卷紙機上，另一端穿過限位空放置在紙帶固定支架上.

（3）使單擺在金屬電極上方做簡諧運動，控制振幅的大小與所用紙帶的寬度相匹配.

（4）先接通高壓脈沖電源，擺球和金屬電極之間產生尖端放電，在二者之間通過的紙帶上留下點跡.

（5）再接通卷紙機的電源，使其帶動紙帶勻速運動，尖端放電在勻速紙帶上打點留跡.

（6）關閉電源，取下一段長度適中的紙帶.如圖6示：以紙帶運動方向作為時間t軸，以垂直于時間軸的方向為位移x軸，建立直角坐標系，即可作為簡諧運動圖象進行教學了.

6該裝置的特點

（1）常規儀器簡單巧妙組合，得到極佳實驗效果.

（2）利用尖端放電進行打點，留跡過程對振子幾乎沒有阻力，符合簡諧運動條件.

（3）本裝置能夠快捷地描繪出簡諧運動的圖象，為振動圖象的研究提供了時間保障.（本課的重點）

（4）實驗獲得的圖象是正弦曲線，為研究和獲得簡諧運動的規律提供了可靠的依據.（本課的難點）