簡諧運動實驗裝置改進

華鶯

[摘 要]在“簡諧運動圖象”演示實驗中，采用油墨雙線擺來描繪簡諧運動圖， 加以傳送帶來替代小車拉動紙帶，解決了傳統(tǒng)單線沙擺實驗中存在的問題，減少了實驗誤差，使結(jié)果更加精確的同時也增強了直觀性和可見性， 從而激發(fā)學生的學習興趣， 調(diào)動學生的學習積極性。

[關(guān)鍵詞]輸液瓶；輸液管；油墨擺；自制鐵架臺；自制傳送帶；馬達；12V電瓶

現(xiàn)行教材在演示簡諧運動圖像時，我們通常是選擇沙擺，鐵架臺組成的裝置，來描繪簡諧運動的圖像，如圖1。理論上，沙流所形成的圖像與簡諧運動圖像（圖2）相似。該方法原理科學、直觀，能很好的幫助學生理解簡諧運動的運動規(guī)律。

但我們在教學實踐中發(fā)現(xiàn)，這個實驗總會讓人有“結(jié)果并不理想”的感嘆，采用圖1裝置不可避免的會有很多誤差，常使得沙流所形成的的圖像與圖2有很大的出入。

我們發(fā)現(xiàn)該裝置在實驗過程中存在以下幾個問題：

（1）原理上的缺陷：

隨著沙子的流出，沙擺的重心先下移，待沙子流盡后，重心又上升，其實際擺長也在不斷改變，由單擺的周期可知，單擺的擺動周期也會隨之改變。

（2）操作上的困難：

a、采用單線擺做實驗，沙擺很容易形成圓錐擺。

b、沙擺中的沙子經(jīng)常無法順暢的流出，造成實驗失敗；

c、沙擺的懸點難固定，易滑動，如圖3。

d、手拖木板，產(chǎn)生的震動常常迫使落到板面的沙子移動，影響所得圖形的準確性。

e、沙流形成的圖形平鋪在水平板上，不便豎起，向全班展示。

f、手拖著木板運動，很難保證木板所做的運動是勻速（或近似勻速）直線運動。

針對以上對實驗裝置進行了一定的改進 ：

改進措施一：采用油墨擺來代替沙擺，并用雙線擺替代單線擺。

首先采用正方形框架形成雙線擺，用帶孔鐵錘作為擺動的物體，將擺線改成輸液管，輸液管穿過重物形成單擺。在正方形框架上固定輸液瓶，用注射器向瓶內(nèi)注射一定量的油墨，然后連接輸液管。在傳送帶上鋪上白紙（油墨在上面不易暈開），使油墨在白紙上描繪運動軌跡。

通過如上改進，其優(yōu)點為：

1.采用正方形框架形成雙線擺（圖4），既可避免圓錐擺的形成，也可避免產(chǎn)生圖3的懸點挪位現(xiàn)象。

2.將沙擺改成油墨擺，在白紙上描繪出運動軌跡，由于液壓和氣壓共同作用，油墨不斷流入輸液管，保證任意時刻擺的質(zhì)量都不變。不但避免因為擺錘重心改變而改變實際擺長，而且油墨在白紙上描繪出的圖像更便于向全班展示。

3.輸液管上的開關(guān)，可以隨時控制油墨流出時間和流速，保證

油墨在傳送帶轉(zhuǎn)動后才流出。

改進措施二： 用傳送帶替代手拖木板，用電動機為傳送帶提供動力，帶動其轉(zhuǎn)動。

用自制傳送帶來替代手拖木板，通過12V電瓶帶動電機轉(zhuǎn)動，來保持傳送帶做勻速運動。然后在傳送帶上鋪一白紙（油墨在上面不易暈開），讓油墨擺流出的油墨能夠在白紙上清楚的描繪出其運動圖像。

通過上述改進，其優(yōu)點是：

1.用傳送帶來替代手拖木板，并通過12V電瓶帶動電機轉(zhuǎn)動來提供傳送帶一個穩(wěn)定的速度，相較手動木板可以獲得更穩(wěn)定的速度。

2.可以調(diào)節(jié)好傳送帶轉(zhuǎn)動速度，使實驗變得更好操控。

3.力與桌面平行，避免手拖動木板上會產(chǎn)生向上（或向下）的分力，從而人為地減小（或增大）木板與桌面的摩擦力。

4.傳送帶上鋪一白紙（油墨在上面不易暈開），油墨擺滴出的油墨能夠在白紙上清楚的描繪出其運動圖像，方便向大家展示實驗結(jié)果。

實驗儀器共分為三個模塊：

1.特制鐵架臺

在鐵架臺上方，用正方形框架替代單根鋼管，鐵架臺的兩根支架分別連接正方形的對角線兩端點，并在正方形框架另一對角線兩端點鉆孔，方便輸液管穿過，再在正方形正中央焊接一個大小適度的圓環(huán)，以便輸液瓶的放置。

2.雙線油墨擺

用帶孔鐵錘作為擺動的物體，將擺線改成輸液管，用兩根輸液管通過二轉(zhuǎn)一管后再穿過帶孔擺錘形成雙線擺，并與正方形框架上固定的輸液瓶連接，用注射器向瓶內(nèi)注射一定量的油墨，構(gòu)成了雙線油墨擺。

3.自制傳送帶

用帆布以及木頭等器材做成簡易傳送帶，利用12V電瓶帶動電機，傳送帶在電機帶動下勻速轉(zhuǎn)動。在傳送帶上鋪上白紙（油墨在上面不易暈開），使油墨滴下后在白紙上描繪出運動軌跡。

實驗裝置及細節(jié)實物圖如下：

實驗所得圖形簡介：

我們最后在白紙上得到一個油墨擺描繪出的運動軌跡圖，在白紙正中央畫一條直線，體現(xiàn)小擺錘的平衡位置，然后再畫一條豎直線，體現(xiàn)小擺錘在相對平衡位置的位移方向，以兩直線分別作為坐標軸，我們會得到一個類似正弦曲線圖。

正弦曲線上各點的物理意義：該時刻小球相對平衡的位移。所以我們以代表小球平衡位置的直線為時間軸，以小球位移方向為縱軸，該曲線代表的是各時刻小球的位移。

實驗注意事項：

a.為確保傳送帶在桌面上沿著線 運動，可事先在桌面上標出 的延長線，使其傳送帶中間正好在 上，保證了力與桌面平行，避免手拖動木板上會產(chǎn)生向上（或向下）的分力，從而人為地減小（或增大）木板與桌面的摩擦力。

b.注意使木板的左，右邊緣與鐵架臺的左，右基座保持一定間距，防止不慎碰撞影響沙擺的簡諧運動。而解決這個問題，在實驗前調(diào)整傳送帶的位置即可。

c.演示實驗前，應(yīng)先使傳送帶做勻速運動，再使油墨擺擺動。

d.設(shè)置投影儀，確保實驗過程學生都能觀察到。

e.雙線擺的有效擺長取1m左右。

實驗表明，經(jīng)過改進后的簡諧運動的圖像演示實驗，避免了不少人為地誤差，并且結(jié)果的直觀性很強，與簡諧運動圖像圖2相比，非常接近。

本實驗的優(yōu)點：

a、既繼承了傳統(tǒng)演示實驗的優(yōu)點，又克服了其存在不足；

b、實驗效果理想，對教學幫助很大；

c、實驗成本低廉，能夠在教學中廣泛應(yīng)用。