自制简谐运动图像描绘仪

2014-04-29林根旺

中学理科园地 2014年2期

林根旺

摘要：描绘简谐运动图像是高中阶段一个重要的演示实验，传统的实验在设计和实际操作中还是不够完善，通过自制改进的教具，能够达到更好的教学效果。

关键词：简谐运动图像；存在问题；仪器改进

中学物理以实验为基础，实验对培养学生观察分析能力、学生学习物理的兴趣以及科学探究的精神有着不可替代的重要意义。教材的一些实验设计及操作方法虽然经过反复验证，但实际操作中仍可以进行改进。实验改进本身就是在想象的基础上进行的一种创新。通过改进实验，常常可以增强演示实验的效果，为培养学生的观察力提供更为鲜明直观的感性材料，吸引学生进入创新的殿堂，描绘简谐运动图像是高中阶段一个重要的演示实验，传统的实验在设计和实际操作中还是不够完善，有一定的改进空间。

一、常见的简谐运动图像描绘存在的问题

鲁科版的高中物理教科书（选修3-4）中描绘简谐运动的图像是这样做的：如图1所示，把一小棍压在桌面上，将栓毛笔的绳子套在小棍上，毛笔杆上绑上一小重物。毛笔下放一标有x轴、y轴的白纸，当毛笔沿y轴摆动时，操作者沿x轴匀速拖动白纸，便可得简谐运动的图像。这个设计虽然取材简单，但在实际操作中有这几方面问题，一是毛笔经常没摆几下就停下来，还有就是随着白纸的拉动，毛笔很难保持稳定摆动，即使让毛笔稳定摆动，笔尖所划过的是一条弧线，并不在同一水平面上，也不可能在纸面上画出完整图像。笔者按照类似的装置做了多次实验，都没有获得成功。

传统上常用沙摆描绘简谐运动图像，如图2所示，把漏斗吊在支架上，下方放一块薄木板，木板中间上画一条直线，漏斗静止不动时正好在木板的正上方，在漏斗里装满细沙。沙摆摆动同时木板做匀速运动，我们可以看到漏出的沙子成正弦或余弦图，这种实验方式确实能得到比较好的简谐运动图像，所以被广泛采用，我们学校也是用类似的装置，但笔者在多年的使用中，发现也有存在如下问题：一是不符合教学顺序，我们在介绍图像的描绘时一般都还没有说明单摆的运动可看成简谐运动。二是仪器较大，单木板就有一米多，不利于携带到教室中使用。三是实验中木板要保持水平拉动，由于视角的关系学生难以观察，常常要做完实验后再把绘有图像的木板拿到学生中转一圈，影响课堂进度。四是可重复性不好，沙子撒到木板上后要把它再回收到瓶子中比较麻烦，如果我们在实验中没有匀速拉动，画出来的图像不理想，想要再重新做实验就困难了。

二、自制简谐运动图像描绘仪

（一）仪器制作

1. 取一40cm×20cm木版作为底座，木板中间固定一长约60cm的方形木条，木条上方钉上一钉子（距离应与弹簧伸长后的长度匹配），两边固定两根长约25cm的圆形木棍（可用废旧的扫把柄或拖把柄），距离约30cm。

2. 取两个矿泉水瓶（最好是景田矿泉水，因为它的瓶子上下直径相同）套在圆形木棍上，瓶底与棍顶要用钉子固定，但不要钉死，使瓶子能顺畅地绕木棍转动。

3. 取一长约60cm，宽约25cm的白纸，白纸表面要贴有一层蜡纸（方便重复使用），用白纸将两矿泉水瓶包住，形成类似传送带的结构，适当调整，保证转动矿泉水瓶时能带动白纸顺畅转动。

4. 振子制作：取一合适的小盒子，里面填上沙石，最终的重量应与弹簧的劲度系数匹配，使弹簧振子的振动周期适中。在盒子的底端固定一水笔，并在适当位置固定一长约10cm的光滑竹签。如图3所示。

5. 在贴近纸面处固定两根光滑细棍，距离约8cm，确保弹簧振子挂上后能在细棍与竹签所确定的竖直面上上下振动。最终做成如图4所示的仪器

（二）操作步骤

1. 调整水笔尖与纸面的距离，使水笔刚好能在纸面上画出笔迹，拉开弹簧让振子在两光滑细棍所确定的竖直面试振动，观察水笔能否在各位置画出笔迹，在能画出的前提下尽量减少笔与纸的摩擦。

2. 使振子停在平衡位置，转动矿泉水瓶，水笔便会在纸上画出一水平的直线，相当于振动图像的横轴。

3. 让振子振动起来，同时转动矿泉水瓶，水笔便会在纸上画出正弦（或余弦）的简谐运动图像。如图5所示。

（三）仪器优点