自制单摆振动图像描绘实验仪

刘召新

(余姚市第四中学，浙江 宁波 315400)



自制单摆振动图像描绘实验仪

刘召新

(余姚市第四中学，浙江 宁波 315400)

摘要：为获得简谐运动的清晰图像，自制了单摆振动图像描绘实验仪. 实验将带有放电针的单摆与高压脉冲的电极相连，在单摆下方放置一匀速运动的纸带，当单摆振动时，由尖端放电原理可知，在纸带上将描绘出单摆振动的图像.

关键词：单摆；图像描绘；简谐运动

1制作背景

简谐运动的图像是人教版普通高中课程标准实验教科书《物理》(选修3-4)中的重点和难点，利用简便的实验获得规范的简谐运动图像是本节教学的关键.

获得图像的传统方法主要有：

1)利用频闪照相机获得简谐运动图像. 但由于各个学校实验设备条件限制难以实施，而且不便于课堂教学操作.

2)利用水漏或沙漏在纸上留迹. 该方法由于振子的重心变化或者与白纸之间阻力太大，使振子所作的振动不是真正的简谐运动，因此在实际操作中得不到标准的正弦(余弦)曲线.

针对传统描迹方法存在着的弊端，笔者制作了单摆振动图像描绘实验仪.

2实验仪的制作原理

把具有带放电针的单摆与高压脉冲的电极相连，将大小合适的纸带通过纸带限位孔与卷纸电机相连. 当单摆振动时，接通高压电源，将其输出的高压脉冲加在单摆和振动行程下方的金属电极上，利用尖端放电原理在匀速前进的纸带上进行打点留迹，从而描绘出单摆的振动图像.

3实验仪的制作方法

实验仪结构简图如图1所示，实物图如图2所示. 用细铜线穿过金属摆球作为单摆的摆绳，在摆球的下端伸出一小段铜丝用作摆球的放电针；在单摆振动行程的下方固定细窄金属作为尖端放电的电极；将放电针和金属放电极用导线分别与高压电的正、负电极相连；将大小合适的纸带通过纸带限位孔与卷纸电机相连；将以上所述具有带放电针的单摆、金属放电极、高压电极接线柱、卷纸电机、纸带固定支架、纸带限位孔、单摆固定支架组装在固定底座上组成实验装置.

图1　实验仪结构简图

图2　单摆振动图像描绘实验仪实物图

4实际教学的探究过程

1) 将实验装置放在水平桌面上，调节平衡螺母调节底座水平.

2)将纸带一端固定在卷纸机上，另一端穿过限位孔放置在纸带固定支架上.

3)使单摆在金属电极上方做简谐运动，控制振幅的大小与所用纸带的宽度相匹配.

4)接通高压脉冲电源，摆球和金属电极之间产生尖端放电，在二者间的纸带上留下点迹.

5)再接通卷纸机的电源，使其带动纸带匀速运动，尖端放电在匀速纸带上打点留迹.

6)关闭电源，取下一段长度适中的纸带.

如图3示，以纸带运动方向作为时间t轴，以垂直于时间轴的方向为位移x轴，建立直角坐标系,即得到简谐运动图像.

图3　单摆的振动图像

5结束语

单摆振动图像描绘仪为常规仪器的简单组合，利用尖端放电进行打点，振子在留迹过程中几乎没有受到阻力，符合简谐运动条件. 本装置能够快捷地描绘出简谐运动的图像，为振动图像的研究提供了时间保障. 实验获得的图像是正弦曲线，为研究和获得简谐运动的规律提供了可靠的依据.

参考文献：

[1]叶庆峰. 摆球在竖直平面内运动规律演示装置[J]. 物理实验，2015，35(8)：21-23.

[2]沈昊. 利用手机研究简谐运动[J]. 物理实验，2014，34(4)：15-18.

[责任编辑：尹冬梅]

收稿日期：2016-04-07

作者简介：刘召新(1979-)，男，浙江余姚人，余姚市第四中学高级教师，学士，从事中学物理教学工作.

中图分类号：G633.7

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2016)07-0043-02

Self-made plotting instrument for pendulum vibration

LIU Zhao-xin

(No.4 Middle School of Yuyao, Yuyao 315400, China)

Abstract:In order to obtain a clear image of simple harmonic motion, a plotting instrument for pendulum vibration was made. The pendulum with discharge needle was connected to the high voltage pulse electrodes, and paper tap in uniform motion was placed below the pendulum. Based on the principle of point discharge, the vibration curve of the pendulum was plotting on the paper tap.

Key words:pendulum; simple harmonic motion; curve plotting