問題引領導向 創新設計突破
——以可控式電火花單擺演示器設計為例

胡小軍

(江蘇省姜堰市第二中學,江蘇 姜堰 225500)

1 引言

物理教材機械運動首先從運動學的角度定義:質點運動時位移與時間的關系遵從正弦函數規律[x-t圖像是一條正弦(或余弦)曲線]的振動稱為簡諧運動;其振動圖像很直觀地表現出作簡諧運動質點運動的位移隨時間按正弦(或余弦)規律變化．因而簡諧運動的圖像是認識理解最簡單、基本機械振動規律的的重點和難點,那么如何利用簡便的實驗獲得規范、清晰的簡諧運動圖像是探究機械振動規律的關鍵．

筆者對單擺(最大擺角α<5°)這種非勻變速往復雜運動進行了深入探究．從“是什么”角度的運動描述入手,探究單擺振動圖像的建立;在猜想、實驗驗證的過程中認知質點簡諧運動的圖像是一條正弦(或余弦)曲線;對單擺實驗儀器拓展設計可控調速對比振動圖像的過程,深化辨析質點簡諧運動的圖像并不表示質點的運動軌跡,并從中感悟時空轉換思想是記錄實際振動的常用方法．筆者對現有單擺實驗器材進行了對比分析,力圖保持原有實驗器材真實感性認識,更注重器材拓展“探究性”,激發學生主動學習、探究學習的渴望.

2 問題的提出

傳統的利用沙擺或水漏在紙上留跡,隨著沙或水的流出,其擺球的質心發生變化,對應的擺振動周期也在變化;其次得到圖像只能平放觀察不能豎立展示,更不易保存和比較研究．

采用擺球下帶毛筆的方法．該方案實際操作時不易,常會出現紙帶上的墨水不均勻、不清晰,甚至弄得到處都是墨水．而且由于受到紙帶的阻力,擺球的振幅逐漸減小,得到圖像是阻尼振動的曲線．

利用DIS系統獲得單擺簡諧運動圖像．雖然能快速、準確、動態地采集實驗信息,并通過計算機輔助分析;但對于初識機械運動的學生來說直接給出簡諧運動的圖像,不利于學生建立機械運動規律的特點,更難通過其圖像進一步分析現象和揭示本質;而且昂貴的DIS系統成本使很多學校望而卻步．

3 問題的探究

3.1 采用電火花打點記錄單擺振動圖像

將擺球懸線改成細軟的導線,穿過擺球連接下端的放電針,同時連接學生用打點計時器正脈沖輸出端;其次在底座木板表面帖上銅箔作為負脈沖電極,連接學生用電火花打點計時器的脈沖輸出(如圖1甲)．將墨粉紙平鋪在銅薄的上面(如圖1乙),加絕緣固定夾使其接觸良好,讓紙帶穿過限位孔．調節擺長使擺球放電針與紙帶之間的距離很小,尖端放電在勻速紙帶上打點,記錄擺球該時刻的位置．

電火花打點優勢明顯： (1) 擺球振動過程中跟紙帶沒有直接接觸,紙帶幾乎沒有受到阻力作用,所以描繪出擺球的圖像符合簡諧運動的規律．(2) 獲得的簡諧運動圖像便于展示,可選取紙帶點跡清晰部分以運動方向為時間t軸,以垂直運動方向為位移x軸,建立圖像的直角坐標系進一步探究．紙帶記錄了擺球在不同時刻的位置,同時也記錄了單擺運動的周期．可以直接從圖像求出周期和通過測量單擺的擺長計算出周期進行比對分析．

(甲)

(乙)

3.2 采用減速傳動機構

傳統的手拉木板或紙帶并不能一直保持勻速運動,采用在底座木板下安放變速齒輪減速傳動機構,通過無噪聲直流電機提供緩慢、平穩速度,獲得圖像曲線時間軸的周期性更標準．

增加滑動變阻器,改變阻值控制紙帶的運動速度,從而匹配單擺的振動周期．當單擺周期一定時,紙帶留下的點跡的周期曲線長度=紙帶運動速度×單擺周期．由于紙帶運動速度不同,可得到不同類型的圖像曲線的對比演示功能．

3.3 采用可調振幅結構

在單擺支架臺上適當位置固定可調振幅結構的電磁鐵(圖2甲),改變電磁鐵的延長桿可靈活調整單擺擺角和擺幅,不易出現錐擺．通過單刀雙置開關(圖2乙),當開關置于“吸住”位置,這時通電的電磁鐵具有磁性就能把擺球吸住．開關撥置“走動”位置時,接通電動機的同時斷開電磁鐵的電源,擺球立即被釋放,紙帶被傳動機構拖著作勻速運動．通過這樣的可調擺幅的電磁起放方式,可準確定位擺球起擺位置,獲得的單擺振動曲線比較精確規范,簡諧運動圖像的可再現率高．

(甲)

(乙)

4 實驗探究過程

4.1 初步探究

(1) 將單擺實驗底座裝置放在桌面上,調節木板底座平衡螺母使之呈水平狀態,安裝豎鐵桿及擺長調節器、可調振幅電磁鐵．

(2) 將擺球的軟細線從擺長調節器穿過,并調節好線的長度,使擺球放電針緊靠墨粉紙盤后,再用固定螺絲止緊．

(3) 將直流電源6 V連接到滑動變阻,并連接木板底座傳動機構接線柱,接通電源總開關S1時,先將S2置于“吸住”位,同時吸附單擺小球．

(4) 把紙帶一端穿過限位孔,將齒形壓輪放入木板底座傳動支架上,并壓住紙的一端．

(5) 接通打點計時器電源,立即將S2置于“走動”位置,電磁鐵失去磁性,釋放擺球．傳動機構帶著紙帶水平運動,擺球下的放電針之間產生尖端放電,在紙帶上留下點跡．

(6) 先打點計時器電源,再關閉電源總開關S1．取下紙帶,選取一段適中的部分,以紙帶運動方向作為擺球的時間軸,以垂直于紙帶運動方向為擺球的位移縱軸,建立直角坐標系比較分析,獲得即為單擺的簡諧運動圖像．

4.2 深度探究

(1) 保持擺長調節器不動,可調擺幅結構不變,改變滑動變阻的阻值,仍然從相同的位置釋放擺球,重新按照步驟操作,對比分析簡諧運動圖像的特點．

比較圖3(甲)、(乙)兩幅圖像的一個周期內打點的個數相同,反映單擺擺長調節器不動時,單擺周期相同．同時兩幅圖像的最大位移相同,但是一個周期的水平長度不同．分析發現:單擺周期一定時,紙帶留下的點跡曲線的周期水平長度=紙帶運動速度×單擺周期．由于紙帶運動速度不同,所以得到不同類型的圖像曲線．

圖3

(2) 保持滑動變阻的阻值不變,可調擺幅結構不變,調節擺長調節器,改變單擺的擺長,可得到不同頻率的簡諧運動圖像,如圖4甲、乙兩幅圖像的一個周期內打點的個數不相同．

圖4

(3) 保持滑動變阻的阻值不變,保持擺長調節器不動,調節可調擺幅結構,改變可調擺幅結構,可得到不同振幅的簡諧運動圖像(如圖5甲、乙)．

圖5

(4) 進一步還可研究電火花打點圖像曲線紙帶上的各點的周期性,就可直接求出單擺的周期與頻率,測量擺長通過單擺的周期公式進一步作對比分析．

5 總結與展望

5.1 功能獨特實用,優勢顯著

筆者對期刊文獻上的單擺演示器案例進行了分析對比,并對器材市場現有單擺演示器調查研究．針對傳統水漏或沙漏單擺在紙上留跡圖像不易觀察,繪制曲線不均勻,演示時操作困難、故障多等．以實用性作為設計原則,利用日常實驗室現有的實驗器材對單擺實驗進行創新改進,具有如下的特點:

(1) 圖像直觀清晰準確.

由于擺球振動過程中跟紙帶幾乎沒有受到阻力作用,描繪出帶曲線圖像的平滑順暢、清晰準確．獲得的曲線圖像可在豎面演示觀察,通過繪制圖像的時間軸線、位移軸對曲線進行深入比對研究分析,發現圖像符號簡諧運動的特點,具有良好的等幅性、等時性．

(2) 拓展圖像的探究性.

實驗器材可從紙帶的運動、單擺擺幅大小、擺長長這3個維度進行控制變量測量研究．同時紙帶通過打點計時器,在紙帶上打下的點就記錄了物體運動的時間,紙帶上的點也相應的表示出了運動物體在不同時刻的位置．研究紙帶上的各點間的間隔,就可分析單擺的周期與頻率,測量擺長通過單擺的周期公式進一步作對比分析．

(3) 操作簡單便捷.

儀器采用聯動電路設計,按照電路圖連接,安裝紙帶,按動開關即可．紙帶采用變速齒輪減速傳動機構,通過無噪聲直流電機提供動力,紙帶運行平穩耐用．

5.2 創新改進,設計科學

利用電火花打點器提供高壓脈沖輸出,改進墨粉紙盤結構,由尖端放電在紙帶上記錄單擺的瞬時位置．拓展設計可控調速紙帶傳動機構對比振動圖像的過程,深化辨析質點簡諧運動的圖像并不表示質點的運動軌跡．儀器對擺長、擺幅均做了可調控設計,便于從紙帶的運動、單擺擺幅大小、擺長長這3個維度進行控制變量探究,應用于不同方式和層次的的探究活動．增強趣味性和靈活性,重視基礎和思路,力圖激發學生主動學習、探究學習的渴望．