簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)

華鶯

[摘 要]在“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖象”演示實(shí)驗(yàn)中，采用油墨雙線擺來(lái)描繪簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖， 加以傳送帶來(lái)替代小車(chē)?yán)瓌?dòng)紙帶，解決了傳統(tǒng)單線沙擺實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題，減少了實(shí)驗(yàn)誤差，使結(jié)果更加精確的同時(shí)也增強(qiáng)了直觀性和可見(jiàn)性， 從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣， 調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

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

現(xiàn)行教材在演示簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像時(shí)，我們通常是選擇沙擺，鐵架臺(tái)組成的裝置，來(lái)描繪簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像，如圖1。理論上，沙流所形成的圖像與簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像（圖2）相似。該方法原理科學(xué)、直觀，能很好的幫助學(xué)生理解簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

但我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)總會(huì)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(huì)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在以下幾個(gè)問(wèn)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(shí)際擺長(zhǎng)也在不斷改變，由單擺的周期可知，單擺的擺動(dòng)周期也會(huì)隨之改變。

（2）操作上的困難：

a、采用單線擺做實(shí)驗(yàn)，沙擺很容易形成圓錐擺。

b、沙擺中的沙子經(jīng)常無(wú)法順暢的流出，造成實(shí)驗(yàn)失??；

c、沙擺的懸點(diǎn)難固定，易滑動(dòng)，如圖3。

d、手拖木板，產(chǎn)生的震動(dòng)常常迫使落到板面的沙子移動(dòng)，影響所得圖形的準(zhǔn)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(yùn)動(dòng)，很難保證木板所做的運(yùn)動(dòng)是勻速（或近似勻速）直線運(yùn)動(dòng)。

針對(duì)以上對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了一定的改進(jìn) ：

改進(jìn)措施一：采用油墨擺來(lái)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(dòng)的物體，將擺線改成輸液管，輸液管穿過(guò)重物形成單擺。在正方形框架上固定輸液瓶，用注射器向瓶?jī)?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(kāi)），使油墨在白紙上描繪運(yùn)動(dòng)軌跡。

通過(guò)如上改進(jìn)，其優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)挪位現(xiàn)象。

2.將沙擺改成油墨擺，在白紙上描繪出運(yùn)動(dòng)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(shí)刻擺的質(zhì)量都不變。不但避免因?yàn)閿[錘重心改變而改變實(shí)際擺長(zhǎng)，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(kāi)關(guān)，可以隨時(shí)控制油墨流出時(shí)間和流速，保證

油墨在傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)后才流出。

改進(jìn)措施二： 用傳送帶替代手拖木板，用電動(dòng)機(jī)為傳送帶提供動(dòng)力，帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)。

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

通過(guò)上述改進(jìn)，其優(yōu)點(diǎn)是：

1.用傳送帶來(lái)替代手拖木板，并通過(guò)12V電瓶帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)提供傳送帶一個(gè)穩(wěn)定的速度，相較手動(dòng)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(dòng)速度，使實(shí)驗(yàn)變得更好操控。

3.力與桌面平行，避免手拖動(dòng)木板上會(huì)產(chǎn)生向上（或向下）的分力，從而人為地減?。ɑ蛟龃螅┠景迮c桌面的摩擦力。

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

實(shí)驗(yàn)儀器共分為三個(gè)模塊：

1.特制鐵架臺(tái)

在鐵架臺(tái)上方，用正方形框架替代單根鋼管，鐵架臺(tái)的兩根支架分別連接正方形的對(duì)角線兩端點(diǎn)，并在正方形框架另一對(duì)角線兩端點(diǎn)鉆孔，方便輸液管穿過(guò)，再在正方形正中央焊接一個(gè)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(dòng)的物體，將擺線改成輸液管，用兩根輸液管通過(guò)二轉(zhuǎn)一管后再穿過(guò)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?jī)?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(jiǎn)易傳送帶，利用12V電瓶帶動(dòng)電機(jī)，傳送帶在電機(jī)帶動(dòng)下勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。在傳送帶上鋪上白紙（油墨在上面不易暈開(kāi)），使油墨滴下后在白紙上描繪出運(yùn)動(dòng)軌跡。

實(shí)驗(yàn)裝置及細(xì)節(jié)實(shí)物圖如下：

實(shí)驗(yàn)所得圖形簡(jiǎn)介：

我們最后在白紙上得到一個(gè)油墨擺描繪出的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，在白紙正中央畫(huà)一條直線，體現(xiàn)小擺錘的平衡位置，然后再畫(huà)一條豎直線，體現(xiàn)小擺錘在相對(duì)平衡位置的位移方向，以兩直線分別作為坐標(biāo)軸，我們會(huì)得到一個(gè)類(lèi)似正弦曲線圖。

正弦曲線上各點(diǎn)的物理意義：該時(shí)刻小球相對(duì)平衡的位移。所以我們以代表小球平衡位置的直線為時(shí)間軸，以小球位移方向?yàn)榭v軸，該曲線代表的是各時(shí)刻小球的位移。

實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：

a.為確保傳送帶在桌面上沿著線 運(yùn)動(dòng)，可事先在桌面上標(biāo)出 的延長(zhǎng)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(dòng)木板上會(huì)產(chǎn)生向上（或向下）的分力，從而人為地減?。ɑ蛟龃螅┠景迮c桌面的摩擦力。

b.注意使木板的左，右邊緣與鐵架臺(tái)的左，右基座保持一定間距，防止不慎碰撞影響沙擺的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。而解決這個(gè)問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)前調(diào)整傳送帶的位置即可。

c.演示實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)先使傳送帶做勻速運(yùn)動(dòng)，再使油墨擺擺動(dòng)。

d.設(shè)置投影儀，確保實(shí)驗(yàn)過(guò)程學(xué)生都能觀察到。

e.雙線擺的有效擺長(zhǎng)取1m左右。

實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像演示實(shí)驗(yàn)，避免了不少人為地誤差，并且結(jié)果的直觀性很強(qiáng)，與簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像圖2相比，非常接近。

本實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)：

a、既繼承了傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，又克服了其存在不足；

b、實(shí)驗(yàn)效果理想，對(duì)教學(xué)幫助很大；

c、實(shí)驗(yàn)成本低廉，能夠在教學(xué)中廣泛應(yīng)用。