淺議簡諧運動圖像演示實驗的改進

摘 要：簡諧運動圖像的演示實驗是中學物理實驗的一個教學難點。目前，按照學校現成的實驗儀器設備，從擺動的沙漏中不斷漏出細沙于一被勻速拉動的記錄底板上的實驗方法難以達到滿意的實驗效果。并且在實驗的操作過程中很難操控實驗，針對像沙漏的擺速發生變化等問題，本文就先對簡諧運動圖像的演示實驗的原理及其理論進行分析，然后討論該實驗的改進方案，以求達到滿意的實驗效果，提高教學效率，使學生易于操作并理解簡諧運動圖像的演示實驗。

關鍵詞：簡諧運動；勻速直線運動；單擺；演示實驗

一、 引言

在高中物理選修3-4的第一章“機械振動”中，簡諧運動是這一章主要學習的一種最簡單、最基本的機械運動。由于簡諧運動的速度和受力都在做周期性的變化，所以對其物理過程的認識，應是從前邊所學動力學的知識的一個綜合應用。作為一種特殊的運動形式，它有其自身的運動規律和特點。而且將會通過了解簡諧運動的特點以及如何描述這種運動，為下一章我們學習機械波以及今后學習電磁波等知識打下基礎。所以做好并且能理解簡諧運動圖像的演示實驗是非常之重要的。現在的中學物理課本上介紹的簡諧運動圖像的演示實驗方法，如圖1所示，是通過從擺動的沙漏中不斷漏出細沙于一被勻速拉動的記錄底板上的方法來記錄簡諧運動的圖像。實驗演示完后發現其效果欠佳，最后得到的圖線也不能立放以供學生觀察研究。因此，需要改進該實驗的設計，使其實驗的效果更佳。簡諧運動圖像的演示實驗不僅是為了讓學生看到這一運動的效果，而且是要把簡諧運動的實質提供給學生，是其理解這一運動的理論依據。而且通過圖像的幫助，能更好地認識和理解簡諧運動中各物理量的確切含義及其相互關系。例如，根據圖像就能知道振動的振幅、周期、頻率；能確定某時刻質點的位移、回復力、加速度、速度的方向。因此做好這一實驗就顯得非常的重要。那如何對這個實驗進行改進呢？下面我們就先對簡諧運動圖像演示實驗的原理及其理論進行分析，這樣有助于我們找到改進該實驗的突破口。

二、 簡諧運動圖像的演示實驗的原理及其理論分析

簡諧運動是物體在跟偏離平衡位置的位移的大小成正比，并且總指向平衡位置的回復力作用下的振動。其受力特征：回復力F=-kx，要使實驗演示成功或者是效果更佳，對于現用教材中用沙漏演示該實驗的裝置，是通過從擺動的沙漏中不斷地漏出細沙于一被勻速拉動的記錄板上的方法來記錄簡諧運動的圖像，使用這種方法的缺點有四個：

①擺動體的質量隨著沙子的漏出而減小，從單擺的周期：T=2πLg可以看出，其周期不因質量的改變而受到影響。但是，細沙的漏出則導致了沙漏的重心發生了變化，使其單擺的擺長L發生了改變，因而沙漏的擺動周期也就隨之發生了改變，故沙漏的擺速在實驗的過程中也就發生了變化。

②用手拉動放在桌面上的記錄底板時，根本不可能使其達到勻速直線運動。因而影響了該實驗的實驗效果。

③在釋放沙漏開始擺動時，學生要同時放開漏沙口和啟動記錄底板，在操作上對于一個人來說是非常之困難的，也就很難保證其實驗能一次成功。

④盡管選用細沙，但仍很難使其流量均勻，因而也影響了圖線的質量，而且最后得到的圖線也不能立放以供學生觀察研究。

針對這一系列問題，本文就主要是解決以下的幾個問題：其一，使沙漏的擺速能夠達到勻速；其二，使記錄底板能做勻速直線運動；其三，解決學生操作上的難度問題；其四，要使學生易于觀察和明白這一運動的實驗的效果。

三、 簡諧運動圖像的演示實驗的改進方案

[實驗裝置]彈簧振子、鐵架臺、兩個小車、記錄底板、沙桶、細沙、一次性注射器、細軟管、白紙、紅墨水、吹風機。

[演示方法]

按圖2安裝好實驗器材，演示前向沙桶里面添加細沙，直到釋放沙桶后能使小車做勻速直線運動。然后將彈簧振子的小球拉離平衡位置，放開小球，觀察彈簧振子的振動情況，當振子的小球上下振動的幅度基本一致時，便可以輕推一下小車，接著用手推注射器的活塞，實驗操作完成后，最后取下記錄底板上的白紙，用吹風機吹干墨跡，這樣便可以完成簡諧運動圖像的演示實驗。

[分析與研究]

本實驗采用了彈簧振子豎直懸掛在鐵架臺上，記錄底板則立放于小車之上。如圖2所示，其目的是為了讓學生能夠在課堂上老師做這一演示實驗的時候，隨即就可以看到簡諧運動的圖像。由于從小號的針頭噴出的紅墨水的水流很細，所以采用彈簧振子懸掛于鐵架臺的方法，這樣只要記錄底板豎直于小車之上，則彈簧振子的小球上下振動，則便使其小球上的針頭與記錄底板平面垂直而且要足夠靠近記錄底板。從針頭噴射到記錄底板上的紅墨水就可以很好地反映出振動體的運動。

四、 結束語

物理學是一門實驗科學，物理概念的建立和物理規律的發現，都以實驗事實為依據。因此，在實驗教學過程中，除了要有物理理論依據。反映物理思想之外，還要符合教學原則，反映教學思想。這個問題比較復雜，不容易三言兩語就能說明白。但是，有一點是可以非常明確地提出的，那就是通過實驗的教學應用，應該有效的促進學生的有意義學習的過程，避免學生機械性的學習過程。

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作者簡介：

張君，廣東省云浮市，廣東省云浮市新興縣惠能中學。