用激光扫描法演示简谐振动图像

肖贵膑，代　伟，段晨靓，李　青，汤　廷

(西华师范大学，四川 南充　637002)



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用激光扫描法演示简谐振动图像

肖贵膑，代伟*，段晨靓，李青，汤廷

(西华师范大学，四川 南充637002)

摘 要：针对传统探究简谐振动图像的实验存在的不足，重新设计了实验装置，该装置利用半导体激光为光源，巧妙地将竖直方向的简谐振动和水平方的往复运动进行合成得到了简谐振动图像。通过观察屏幕上光点振动展开后形成的正弦(或余弦)曲线的全过程，可方便学生更好地理解简谐振动图像的形成原理。

关键词：激光；简谐振动；正弦曲线

在现行高中物理演示实验装置中，尤其是力学实验装置中，经常要演示物体做简谐振动的振动过程和振动曲线简谐振动作为最基本的振动，许多实际的周期振动虽然不是简谐振动但可以看成多个简谐振动合成的结果。因此，熟悉简谐振动的规律，研究简谐振动的合成对理解机械振动、光波和声波的干涉和衍射等现象都有重要意义。而作为物理演示实验仪器应具备如下优点：实验装置简单、方便、易于操作；实验结果准确；实验现象明显可视度大，能激发学生的好奇心求知欲；实验具有拓展性、能启迪学生思维、引导学生创新、纠正知识理解困惑、扩展学生视野。新设计的简谐振动图像演示仪利用激光器、振动镜、电磁打点计时器、调速电机、六棱形旋转镜、垂直光屏演示仪设计巧妙，可操作性强，演示效果好，能对简谐振动进行很好的合成和演示。

1现有简谐振动图像演示仪存在的不足

目前演示物体做简谐振动的仪器较多，其中最为常见的是高中物理教科版选修3～4第一章第三节开头用的小角度摆动沙漏来近似演示简谐振动的图像，用沙摆演示简谐振动存在许多不足：①实验结果不准确，如单摆易形成圆锥摆；②在沙粒下落的过程中，沙桶重心同时下降，使摆线变长；③手拉动硬纸板不能保证其匀速前行；④沙摆画出的图像只能在水平面上观察，不能以竖直平面图像展现在学生面前，即可见度和观察效果不好；⑤实验器材零散，不利于来回搬动。⑥实验不具有拓展性，不具备一物多用，节约资金的优点。参考文献[1]中作者将机械振动的位移转换成电信号接入示波器，利用示波器的显示原理来演示气垫弹簧振子的简谐振动图像，这种设计结构复杂，演示所用的器材较多，波形显示原理学生不易理解。参考文献[2]中介绍的仪器本身也具有不足之处：如用钢尺带动镜片做简谐振动不能克服阻尼的影响。

2新设计的激光扫描法简谐振动图像演示仪

新设计的多功能简谐振动演示仪如图1所示。仪器有一底座，底座上安装有控制箱，激光器，调速电机(可在0～100转/分的范围内进行调节)。旋转六棱镜安装在调速电机上与电机同步旋转。激光器的右后方安装电磁打点计时器，振动镜是由一小块平面镜与电磁打点计时器簧片的一端粘合而成。底板的右后方安装有光屏。激光器，调速电机，电磁打点计时器的控制元件全部安装在控制箱内。

3实验方法

接通激光器、电磁打点计时器、调速电机，将激光打在振动镜上，激光经振动镜面反射后又打向旋转六棱镜，再经旋转六棱镜反射后最后打在观察屏上，调好振动镜的位置使激光经振动镜(六棱镜不旋转)反射后光点沿竖直方向上下振动。在振动镜前方的光路中安放旋转六棱镜，调好旋转六棱镜的安装位置，使旋转镜转动时(振动镜不振动)屏上的光点沿水平方向往复运动。演示时，首先观察振动镜单独振动时的情况，再观察旋转镜单独旋转时的情况，最后观察两者一起运动的情况。当垂直方向的振动和水平方向的往复运动同时进行时通过激光合成可在竖直光屏上观察到光点的振动被展开成一条正弦(或余弦)曲线的全过程，波形显示原理如图2所示。调节电磁打点计时器的振动强度可改变正弦(或余弦)曲线的振幅，调节电机的转速可改变所演示正弦(或余弦)曲线的周期，进而改变波形形状。

4新装置的优点

(1) 仪器结构紧凑，用激光演示现象明显，可视度大，白天演示效果也很清晰，能激发学生的好奇心。

(2) 可以观察到光点的振动被展开成一条正弦(或余弦)曲线的全过程，从而加深对振动图像的理解。

(3) 由于光源采用了光线性能较好的半导体激光器，加之垂直屏显示，所以可见度较大，便于观察，演示效果较好。

(4) 仪器构思巧妙，操作方便，演示效果好对开发学生的创新思维，培养学生工程意识有帮助。

激光扫描法简谐振动图像演示仪实物图见图3。

5结论

改进后的简谐振动图像演示仪一方面加强了创新实验教学的效果，另一方面通过演示学生对简谐振动正弦(或余弦)曲线形成理解容易，记忆深刻。实验操作简单，演示效果明显，既可以帮助师生自己动手制作教具，又可以让学生明白学习不仅是学习书本知识，更重要的是学会思考和创新，把理论知识和生活紧密联系起来。

参考文献：

[1]郑泽龙.用示波器显示气垫弹簧振子的运动图像[J].教学仪器与实验，2000，16(9):10-11.

[2]闫娜，邓放明，熊举峰.自制振动合成演示仪[J].湖南中学物理，2015(5):42-43.

[3]江昭，徐文娟，魏江.基于Unity 3D模拟振动和波[J].大学物理实验，2015，28(5)：113-117.

[4]李白宏，强蕊.用波尔共振仪研究混沌现象[J].大学物理实验，2016，29(2)：17-20.

Demonstrate Harmonic Vibration Image by Using the Laser Scanning Method

XIAO Gui-bin，DAI Wei，DUAN Cheng-liang，LI Qin，TANG Tin

(China West Normal University,Sichuan Nanchong 637002)

Key words：laser；harmonic vibration；sine curve

Abstract：A device was designed to overcome the shortages of the experiment to explore the image of harmonic vibration.The device used semiconductor laser as light source.By synthesizing the harmonic vibration in the vertical direction and the reciprocating motion in the horizontal direction,the image of harmonic vibration was obtained.By observing the whole process of sine (or cosine) curve after the light vibration unfolded on the screen,the students can understand the principle of harmonic vibration better.

收稿日期：2015-12-10

基金项目：四川省研究生教育改革创新项目(445001)

文章编号：1007-2934(2016)03-0044-03

中图分类号：G 633.7

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.013