简谐运动实验装置的改进

毛国方

(丹阳市第五中学 江苏 镇江 212300)

简谐运动实验装置的改进

毛国方

(丹阳市第五中学 江苏 镇江 212300)

1 引言

人教版高中《物理·选修3-4》中研究简谐运动，主要是利用摆锤或振动装置做简谐运动，观察其运动随时间的变化规律.常用的“漏沙法”形象直观，但是痕迹不能保存，同时随着沙子的漏出，摆锤的重心、等效摆长都不断地发生改变；电火花描迹法、DIS实验虽然能很好地保留图像的痕迹，但是学生们对于图像的形成过程不太清楚.针对以上不足，我对实验装置进行了改进，设计出一套既能清楚直观看到图像的形成过程，又能保留痕迹、便于控制的简谐运动实验装置，在实验过程中取得了较好的效果.

2 制作材料的准备

亚克力板面，木工板，输液软胶管(带针头)，等径止流阀，储液瓶，重锤，带螺纹的金属杆，带减速装置的微型电动机，同步轮及皮带，调速器2个，金属滚轮4个，微型气泵1个，导线、螺母、粘合剂等辅助材料若干.

3 实验装置的制作与安装

3.1 液体喷射装置的制作

所制教具需要能描绘出较清晰的图像，而绘制图像的载体选用液体是最佳的，因为液体能很快被纸张吸收，从而方便展示其绘制出的图像效果.但液体流量大小的控制是最大的问题，由于注射器针头很细，因此液体从针头流出是比较理想的选择.液体仅在重力的作用之下可以自动流出，但在实验过程中要根据需要控制液体的流出比较困难，因此，笔者在注射器针头里加塞细铜丝(多芯线中剥取)，直至不能再塞入为止(大约能塞4至5条), 此时液体仅在重力的作用之下不能自动流出，通过输液软管连接一微型气泵进行加压,这样在气泵加压时, 软管内的液体能以很细的水柱沿着针尖流出,当气泵不工作时,液体停止流出,从而便于液体喷射的控制.

3.2 运动平板小车的制作

重物在竖直平面内做简谐运动时，其绘制出的轨迹仍只是一条线段，要绘制出正(余)弦函数图像，必须下方的纸张要能做匀速直线运动，主要是要求带动纸张运动的牵引装置要能做匀速运动.直接通过小电动机带动时，由于转速快，扭力矩又比较小，所以其牵引效果极不稳定，笔者通过带减速装置的微型电机牵引，很好地解决了牵引不稳的问题；同时在电机供电电路中串接一调速器，从而控制电机牵引速度的大小.制作的平板小车底部如图1所示.

图1 平板小车底部

3.3 实验装置的安装

把重锤中间开孔，插入针头，使针头探出，然后用明胶固定；将软胶管与针头、等径止流阀、储液瓶、微型气泵连接，形成液体喷射回路；将调速器、微型气泵、电源连接，形成液体喷射控制回路；将金属轨道固定于底板上，使运动平板小车架于金属轨道上，金属轨道与底板下方的电源和小车运动控制调速器相连接，形成匀速牵引装置回路.整体连接效果如图2所示.

图2 装置连接示意图

4 实验装置的使用

(1)将本教具放置在水平桌面上，使摆球运动，打开微型气泵开关，使液体喷出，平板小车不动,观察在白纸上描绘的图像(白纸铺在平板小车表面).

(2)使摆球运动，打开微型气泵开关，使液体喷出，同时打开平板小车驱动电机，使白纸随平板小车做匀速运动，观察在白纸上描绘的图像.

(3)使摆球运动，打开微型气泵开关，使液体喷出，调节平板小车驱动电机运动速度，使白纸随板做较大速度的匀速运动，观察描绘的图像.

(4)调节横梁高度，使细线摆长变大，然后使摆球运动，打开微型气泵开关，使液体喷出，同时打开平板小车驱动电机，使白纸随平板小车做匀速运动，观察在白纸上描绘的图像.

附：实物装置图片(图3)

图3 装置实物图

2016-09-18)