借助传感器绘制简谐运动图像的探讨

万　飞

[关键词]:传感器 简谐运动的图像 实验教学

一、问题的提出

“简谐运动的图像”一节是高中物理教学的一个重点,同时也是一个教学难点。其原因是,在进行简谐运动图像教学时,如果采用传统的砂摆做实验,操作较难控制,简谐运动图像的曲线形状不易获得,且得到的图像往往和正弦曲线有较大的偏差,加上教学中学生只是被动地看,没有真正地参与获得图像的过程,常常把简谐运动的图像与运动轨迹混为一谈。为此,改进传统实验才是突破教学难点的有效途径。位移传感器在中学物理教学中的使用让教师有了更多的选择。通过传感器可以得到各个时刻弹簧振子的位移,通过配套软件对数据的采集可以绘出比较精确的“简谐运动的图像”,大大激发了学生的学习兴趣,取得了较好的效果。本文所述就是借助传感器绘制弹簧振子振动图像的一个例子。

二、实验原理和实验设计

竖直方向的弹簧振子的振动为简谐运动,借助位移传感器和数据采集器可以记录其振动过程中不同时刻的位移。通过相应的电脑软件即可绘制出振子位移随时间变化的图像(即简谐运动图像)。本实验主要器材有:位移传感器、数据采集器、计算机、弹簧振子、物理支架。

实验设计过程如下:

1.将数据采集器通过数据线和电脑连接;

2.将位移传感器接入数据采集器的第一通道,并将位移传感器放在弹簧振子的正下方;

3.打开DataStudio软件,创建实验,在“文件”窗口中新建实验,显示图表;

4.在工具栏中的“设置”中,把采样频率调至100HZ;

……三、实验图像及说明

实验中绘制的简谐运动图像如图1所示。

图1为弹簧振子做简谐运动的两次振动图像的重叠图。由图像不难得出:(1)在短时间内做简谐运动的物体,其位移随时间变化图像为正弦(或余弦)图像。(2)弹簧振子两次振动的振幅虽然发生了变化,但是振动周期、频率都没有发生变化,所以弹簧振子的周期和频率与振幅无关。

四、实验拓展

为了让此套实验装置有更广的应用范围,还可以对实验作进一步拓展。

1.时间设定更长一些,可以得到阻尼运动的振动图像(如图3示)

由图2看出:随时间延长,阻尼振动振幅越来越小。把图像区间放大,还可看出振幅虽减小但振动周期不变。

2.为说明简谐运动的一般特征,也可以借助位移传感器描绘气垫导轨上的滑块在水平方向上做简谐运动的图像。

3.增加一个力的传感器,还可以得到回复力随时间变化关系图像。比较回复力随时间变化关系图像与位移随时间变化关系图像可以发现两条图线刚好反相。

4.把s-t图转换为v-t图,还可以实现速度和加速度的测量。

五、结束语

综上所述,应用传感器测量实验数据,精确度高;采用计算机绘制图像,图像准确、美观、形象、生动。更具特色的是计算机图像绘制和图像显示时,表现出来的灵活多样性。它可以使图像的动态和静态相互转化,可以使局部和整体时而合并,时而分开,还可以使图像的前驱及后续分层次共存,极大地丰富了实验的手段,这是其他实验所无法比拟的。在教学中我们可以充分发挥信息技术的特长解决教学中的难点,进一步体验传感器带给我们的惊喜。