淺議簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

摘 要：簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像的演示實(shí)驗(yàn)是中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)。目前，按照學(xué)?，F(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，從擺動(dòng)的沙漏中不斷漏出細(xì)沙于一被勻速拉動(dòng)的記錄底板上的實(shí)驗(yàn)方法難以達(dá)到滿意的實(shí)驗(yàn)效果。并且在實(shí)驗(yàn)的操作過程中很難操控實(shí)驗(yàn)，針對(duì)像沙漏的擺速發(fā)生變化等問題，本文就先對(duì)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像的演示實(shí)驗(yàn)的原理及其理論進(jìn)行分析，然后討論該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方案，以求達(dá)到滿意的實(shí)驗(yàn)效果，提高教學(xué)效率，使學(xué)生易于操作并理解簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像的演示實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)；勻速直線運(yùn)動(dòng)；單擺；演示實(shí)驗(yàn)

一、 引言

在高中物理選修3-4的第一章“機(jī)械振動(dòng)”中，簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)是這一章主要學(xué)習(xí)的一種最簡(jiǎn)單、最基本的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。由于簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的速度和受力都在做周期性的變化，所以對(duì)其物理過程的認(rèn)識(shí)，應(yīng)是從前邊所學(xué)動(dòng)力學(xué)的知識(shí)的一個(gè)綜合應(yīng)用。作為一種特殊的運(yùn)動(dòng)形式，它有其自身的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特點(diǎn)。而且將會(huì)通過了解簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)以及如何描述這種運(yùn)動(dòng)，為下一章我們學(xué)習(xí)機(jī)械波以及今后學(xué)習(xí)電磁波等知識(shí)打下基礎(chǔ)。所以做好并且能理解簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像的演示實(shí)驗(yàn)是非常之重要的?，F(xiàn)在的中學(xué)物理課本上介紹的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像的演示實(shí)驗(yàn)方法，如圖1所示，是通過從擺動(dòng)的沙漏中不斷漏出細(xì)沙于一被勻速拉動(dòng)的記錄底板上的方法來記錄簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像。實(shí)驗(yàn)演示完后發(fā)現(xiàn)其效果欠佳，最后得到的圖線也不能立放以供學(xué)生觀察研究。因此，需要改進(jìn)該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，使其實(shí)驗(yàn)的效果更佳。簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像的演示實(shí)驗(yàn)不僅是為了讓學(xué)生看到這一運(yùn)動(dòng)的效果，而且是要把簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)提供給學(xué)生，是其理解這一運(yùn)動(dòng)的理論依據(jù)。而且通過圖像的幫助，能更好地認(rèn)識(shí)和理解簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)中各物理量的確切含義及其相互關(guān)系。例如，根據(jù)圖像就能知道振動(dòng)的振幅、周期、頻率；能確定某時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)的位移、回復(fù)力、加速度、速度的方向。因此做好這一實(shí)驗(yàn)就顯得非常的重要。那如何對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)呢？下面我們就先對(duì)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像演示實(shí)驗(yàn)的原理及其理論進(jìn)行分析，這樣有助于我們找到改進(jìn)該實(shí)驗(yàn)的突破口。

二、 簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像的演示實(shí)驗(yàn)的原理及其理論分析

簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)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(fù)力作用下的振動(dòng)。其受力特征：回復(fù)力F=-kx，要使實(shí)驗(yàn)演示成功或者是效果更佳，對(duì)于現(xiàn)用教材中用沙漏演示該實(shí)驗(yàn)的裝置，是通過從擺動(dòng)的沙漏中不斷地漏出細(xì)沙于一被勻速拉動(dòng)的記錄板上的方法來記錄簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像，使用這種方法的缺點(diǎn)有四個(gè)：

①擺動(dòng)體的質(zhì)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(zhì)量的改變而受到影響。但是，細(xì)沙的漏出則導(dǎo)致了沙漏的重心發(fā)生了變化，使其單擺的擺長(zhǎng)L發(fā)生了改變，因而沙漏的擺動(dòng)周期也就隨之發(fā)生了改變，故沙漏的擺速在實(shí)驗(yàn)的過程中也就發(fā)生了變化。

②用手拉動(dòng)放在桌面上的記錄底板時(shí)，根本不可能使其達(dá)到勻速直線運(yùn)動(dòng)。因而影響了該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)效果。

③在釋放沙漏開始擺動(dòng)時(shí)，學(xué)生要同時(shí)放開漏沙口和啟動(dòng)記錄底板，在操作上對(duì)于一個(gè)人來說是非常之困難的，也就很難保證其實(shí)驗(yàn)?zāi)芤淮纬晒Α?/p>

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

針對(duì)這一系列問題，本文就主要是解決以下的幾個(gè)問題：其一，使沙漏的擺速能夠達(dá)到勻速；其二，使記錄底板能做勻速直線運(yùn)動(dòng)；其三，解決學(xué)生操作上的難度問題；其四，要使學(xué)生易于觀察和明白這一運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)的效果。

三、 簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像的演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方案

[實(shí)驗(yàn)裝置]彈簧振子、鐵架臺(tái)、兩個(gè)小車、記錄底板、沙桶、細(xì)沙、一次性注射器、細(xì)軟管、白紙、紅墨水、吹風(fēng)機(jī)。

[演示方法]

按圖2安裝好實(shí)驗(yàn)器材，演示前向沙桶里面添加細(xì)沙，直到釋放沙桶后能使小車做勻速直線運(yùn)動(dòng)。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(dòng)情況，當(dāng)振子的小球上下振動(dòng)的幅度基本一致時(shí)，便可以輕推一下小車，接著用手推注射器的活塞，實(shí)驗(yàn)操作完成后，最后取下記錄底板上的白紙，用吹風(fēng)機(jī)吹干墨跡，這樣便可以完成簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像的演示實(shí)驗(yàn)。

[分析與研究]

本實(shí)驗(yàn)采用了彈簧振子豎直懸掛在鐵架臺(tái)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(xué)生能夠在課堂上老師做這一演示實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，隨即就可以看到簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像。由于從小號(hào)的針頭噴出的紅墨水的水流很細(xì)，所以采用彈簧振子懸掛于鐵架臺(tái)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(dòng)，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(dòng)體的運(yùn)動(dòng)。

四、 結(jié)束語

物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，物理概念的建立和物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，都以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為依據(jù)。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，除了要有物理理論依據(jù)。反映物理思想之外，還要符合教學(xué)原則，反映教學(xué)思想。這個(gè)問題比較復(fù)雜，不容易三言兩語就能說明白。但是，有一點(diǎn)是可以非常明確地提出的，那就是通過實(shí)驗(yàn)的教學(xué)應(yīng)用，應(yīng)該有效的促進(jìn)學(xué)生的有意義學(xué)習(xí)的過程，避免學(xué)生機(jī)械性的學(xué)習(xí)過程。

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作者簡(jiǎn)介：

張君，廣東省云浮市，廣東省云浮市新興縣惠能中學(xué)。