高中物理機械振動實驗裝置改進初探

趙可萱

摘 要： 高中物理課堂教學中關于機械振動圖像的實驗教學較難突破，通過改進，解決了三角函數(shù)圖像的分運動之一的形成問題;避免了傳統(tǒng)沙漏沙子質量的減少對合成圖像的影響;解決了三角函數(shù)圖像的另一個分運動的形成問題;通過在滑動件上部設置可取畫板，方便將畫好的合成圖像取下，便于向同學展示。

關鍵詞： 高中物理;機械振動;三角函數(shù)圖像;合成圖像

三角函數(shù)（也叫做“圓函數(shù)”）是角的函數(shù);它們在研究三角形和建模周期現(xiàn)象和許多其他應用中是很重要的。它是學習物理知識中波的形成與傳遞的必備知識之一，但由于三角函數(shù)圖像為復雜的合成運動，授課老師難以在黑板上對學生進行演示三角函數(shù)合成運動的過程，以及有關正弦函數(shù)圖像以及余弦函數(shù)圖像之間關系。

針對上述存在的技術不足，我研究了一種高中物理機械振動機械波教學演示改進裝置，主要有以下優(yōu)點：（1）解決了滑動件的往復運動問題，且傳動簡單可靠;（2）滑槽桿擺動水平投影寬度小于畫板的寬度值，避免合成圖像的波峰和波谷超出畫板的范圍，影響實驗演示的結果;（3）在滑槽桿一側設置可自動伸出的筆，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的沙漏漏砂的情況，避免了因為沙子質量的減少對合成圖像的影響，而且筆更換方便。

裝置介紹：

圖中：1、機架;2、滑動件;201、上齒條;202、下齒條;203、凸起;3、第一電動機;4、傳動軸;5、第一齒輪;6、第二齒輪;7、夾緊機構;701、搖桿;8、連接件;9、連桿;10、夾緊件;11、畫板;12、滑槽架;1201、第一滑槽;13、曲柄;1301、第一圓柱銷;14、第二電動機;15、滑槽桿;1501、第二滑槽;1502、第三滑槽;16、滑塊;1601、第二圓柱銷;17、筆桿套;18、筆帽;19、壓縮彈簧;20、筆。

使用時，結合圖1—圖3所示，步驟一，實驗演示前的準備工作：將筆帽18從筆桿套17上擰下后，將筆20從筆桿套17下端穿過后，筆20通過壓縮彈簧19將筆帽18連接在一起;將畫板11放置在滑動件2的上方后，使得畫板11處于夾緊機構7的中間，搖動搖桿701，搖桿701，使得搖桿701帶動連接件8運動，連接件8通過連桿9帶動夾緊件10運動，夾緊件10夾緊畫板11兩側;三角函數(shù)圖像演示準備操作完畢。

步驟二，結合圖1和圖3所示，打開第一電動機3，第一電動機3通過聯(lián)軸器將動力傳遞給傳動軸4，傳動軸4通過鍵連接將動力傳遞給第一齒輪5和第二齒輪 6，第一齒輪5和第二齒輪6同時運動，第一齒輪5和第二齒輪6首先與上齒條201 嚙合運動，帶動滑動件2向右運動，此時滑動件2通過夾緊機構7帶動畫板11向右勻速直線運動;與此同時，打開第二電動機14的開關，第二電動機14通過鍵連接帶動曲柄13作圓周運動，通過第一圓柱銷1301與第二滑槽1501的滑動配合，帶動滑槽桿15作以左右往復擺動，滑槽桿15通過第三滑槽1502與第二圓柱銷1601的滑動配合帶動滑塊16左右在第一滑槽1201中左右往復運動;通過兩種運動的合成，最終為三角函數(shù)圖像;在滑槽桿15擺動的過程當中，滑槽桿15下端在最低處時，即滑槽桿15下端的速度最大時，壓縮彈簧19壓縮量最大，當滑槽桿15下端在兩側時，滑槽桿15下端的速度最小時，壓縮彈簧的19的壓縮量最小;當?shù)谝积X輪5和第二齒輪6剛剛脫離與上齒條201的嚙合后，第一齒輪5和第二齒輪6正好與下齒條202嚙合傳動，使得滑動件2以及畫板11向左運動;往復運動的設計是為了驗證三角函數(shù)圖像，使得數(shù)據更加具有說服力。當圖像演示操作完畢后，關閉第一電動機3和第二電動機14，反向旋轉搖桿701，使得夾緊機構7松動后，取下畫板11，向學生們演示合成的操作即可。根據實驗的方案，在第二電動機14的轉速不變的，可變換第一電動機3的轉速，可得到不同周期的三角函數(shù)合成圖像，但波峰和波谷的高度差不變。

該實驗改進裝置通過曲柄搖桿機構的運動，解決了三角函數(shù)圖像的分運動之一的形成問題;通過在滑槽桿一側焊接有可自動伸出的筆，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的沙漏漏砂的情況，避免了因為沙子質量的減少對合成圖像的影響;通過在機架底部設置可左右往復勻速 運動的滑動件，解決了三角函數(shù)圖像的另一個分運動的形成問題，而且還可以用來驗證三角函數(shù)圖像的準確性，使得所得出的數(shù)據更加具有說服力，更加縝密;結構不太復雜，操作比較簡單，從根本上解決了教學上的困難，更能輕松突破教學的重難點。

參考文獻：

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