教具发明使学习更简单

徐梁杰驿

发明创造可以帮助我们从熟悉的事物中发现问题，从而进行改进。对于我们学生来说，最熟悉的莫过于学习了，学科实验中教具的发明既可以让学习变得更简单，又可以学以致用。

简谐运动演示仪就是实验教具的一种。我们都知道，简谐运动是最基本也是最简单的机械振动，实际上就是正弦振动。它是一种由自身系统性质决定的周期性运动（如单摆运动和弹簧振子运动）。当某种物体进行简谐运动时，物体所受的力跟位移成正比，并且总是指向平衡位置。简谐运动的特点是：研究变力作用下产生变加速度的运动，有助于加强我们对加速度和变速运动概念的理解；没有使用简练概括的数学语言，而是用定性的文字语言来叙述和分析比较复杂的物理现象。

但是，我们习惯于分析恒力作用下物体的单程运动，而对振动过程的分析，普遍觉得有些困难。我想到火车轮连动轴的运动，在平面上的投影就是简谐运动。因此，我们想用旋转矢量来表示简谐运动，即当矢量匀速转动时，矢端在x轴上的投影作简谐振动。这样就可以很直观地演示简谐振动的图像。

高中物理新教材采用水平弹簧振子代替以前的砂摆，演示简谐运动的图像，但目前实验室拥有的简谐运动演示仪存在着诸多不足：①描绘图像的笔与板不稳定，明显不是匀速运动；②用笔来描图多少有摩擦，实现不了等幅性；③画出的图像不规范，实验效果差。

我们发明的演示仪主要包括两部分：左侧用指针表示矢量，当矢量匀速旋转到某一位置时，矢端在x轴上的投影位置处的二极管发光。这样，当矢量旋转时，就能观察到矢端在x轴上的投影在x轴上作简谐振动。右侧为简谐振动图像演示仪，当指针旋转时，演示仪上相应位置的二极管发光，且矢量转过该位置后，二极管不熄灭。当矢量转动一周，图像演示仪上就会呈现出一个完整周期的正弦曲线。

演示仪的控制电路采用单片机控制，电路中把输入端TH 和放电端DIS 同时接在定时电容CT上，使电容CT具有自动快速放电的功能。

我们利用开关电路控制y轴上的二极管，利用移位寄存器控制右侧y-t坐标中的发光二极管发光，且使用NE555定时器等元件制作单脉冲触发开关。设计电路用旋转矢量法表示简谐振动来呈现简谐振动图像。这样，它既可分开使用，单独演示旋转矢量法，又可结合在一起，同时演示振动图像，方法如下：

单独演示简谐振动的矢量表示法

当旋转矢量演示仪单独使用时，先接通电源，转动矢量，矢端在x轴上的投影位置处的二极管发光，当矢端转过该位置到达下一位置时，该二极管熄灭，与下一位置对应的二极管发光。这样，当矢量旋转一周时，就会观察到质点在x轴上作简谐振动。

两部分同时使用演示质点简谐振动，演示质点的x-t图像

将旋转矢量演示仪和简谐振动图像演示仪连接好并接通电源，转动指针，就可以同时观察到质点振动和在简谐振动图像演示仪上自动产生的振动图像。矢量旋转时，与矢端相对应的x轴上二极管发光，同时，移位寄存器控制x-t坐标上的二极管发光，且当矢端转过该位置，x-t坐标上的二极管不熄灭。这样，在观察到x轴上质点简谐振动的同时，还会在x-t坐标轴上呈现出一条完整的正弦曲线。

我们发明的简谐运动演示仪比教材中已有的教具实验效果更好。通过这次研究，我们掌握了许多学习方法，养成了对比方案的习惯和分析利弊的科学思维方式。发明研究是一种科学精神，是一个不断创新和提高的过程。有了这种良好的素质，我们才能全面思考问题，以理性的眼光看待熟悉的事物，不断完善自己的知识结构，扩大自己的视野。