弹簧振子振动图像演示装置

张晓红

(庆阳第三中学,甘肃 庆阳 745000)

弹簧振子振动图像演示装置

张晓红

(庆阳第三中学,甘肃 庆阳 745000)

为了清晰地展示弹簧振子的振动图像，自制了弹簧振子振动演示装置。该装置利用弹簧和小球作双弹簧振子，在小球上连接输液管，并用注射泵控制输液管中的液体流速，当弹簧振子振动时可以留下运动轨迹；实验采用有机玻璃板或白纸呈现运动轨迹，利用电动机控制并保证有机玻璃板或白纸做匀速运动。通过以上改进可获得弹簧振子振动时的位移随时间变化的函数图线.

简谐运动；弹簧振子；振动图像；正弦曲线

在高中物理3-4“简谐运动”一节需要演示弹簧振子离开平衡位置的位移随时间变化的图像，教材中演示弹簧振子的位移-时间(x-t)图像采用数码相机、计算机绘制小球运动x-t图像和用绘图笔画出图像，前2个演示实验对于仪器缺乏的中学来说，很难实现，第3个演示实验在弹簧振子的小球上安装1只绘图笔，让1条纸带在与小球振动的垂直的方向上匀速运动，绘图笔在纸带上画出弹簧振子的振动图像，由于绘图笔与纸带之间存在摩擦力，同时弹簧振子的能量较小，摩擦力很快使弹簧振子停止振动，效果很不理想. 为了提高振动图像实验的演示效果、增强学生的感性认识，笔者制作了弹簧振子演示装置.

1 制作方法

1)底座的制作

如图1所示，取2块长木板，在侧面各打2个小孔. 再制作2个金属转轴，并在转轴两端各打上一些小孔. 取2个转筒，使转轴在转筒的轴线上穿过，并用长杆螺丝和螺母固定好转筒. 在转筒上套传送带，在其中的1个转轴上套上1个转轮. 在安装转轮一侧的木板上挖一槽，将小电动机放进凹槽内并固定好. 在电动机的转轴上套上小滑轮，将转轴上的转轮和电动机轴上的转轮用皮带套上，电动机转动可以带动转轮转动，在皮带的带动下另一个转轮也可转动，由于电动机转动均匀，放在传送带上的玻璃板就可以匀速平动了. 木板的两端用木条固定，这样底座比较稳定，不易晃动.

图1 底座示意图

2)制作双弹簧振子

在铁球中间打1小孔，在与小孔垂直的两侧各焊接1个小铁环，用吊针输液管并带上针头，将针头从铁球小孔中穿出，吊针输液管的另一端与注射泵上的注射器针头孔连接，如图2所示，微量

图2 双弹簧振子

注射泵的精度高、小流量的液体传输速度可以控制，使喷出的墨水更加均匀，用胶粘严输液管的接口处，防止漏水.

3)制作弹簧振子固定的框架

在底座中间处两侧制作门字型框架，可用装修用的铝合金废料制成，在框架上侧中间处打孔，将带脚金属环的脚插入小孔，用钳子拧紧即可，要在铝合金框两侧各做一个金属环，制作时，两孔要在相同高度，再将门字型框架跨过底座，固定在底座中间处，用弹簧两端钩在门字型框架上的金属环上和小球的铁环上，再焊接牢固，水平方向的弹簧振子就制作好了，用丝线将小球吊在门字型的横梁上(如图3所示)， 细线悬挂可以防止金属球

图3 框架

由于重力作用使弹簧振子不水平，悬线确保了弹簧振子在水平方向振动，保障振动的稳定性，弹簧振子振动的时间长，振幅变化小，使绘出的振动曲线更接近正弦曲线.

2 使用说明

选取有机玻璃板，裁成长方形，其宽度要比底座略窄，为了绘出2个振动周期，其长度应长些. 将有机玻璃板放在转轮的传送带上，随滚轮的转动作匀速运动，当弹簧振子振动后，就可呈现出红墨水画出正弦曲线了.

先将有机玻璃板放在传送带上，将红墨水注入注射器，使弹簧振子振动. 接通电动机的电源使电动机工作，通过皮带带动转轮作匀速转动，同时带动有机玻璃板在传送带上作匀速运动. 为了用精确地控制流速，实验时先调节好注射泵的液体的流速，使微量注射泵工作，红墨水从吊针输液管的针孔喷出，喷在有机玻璃上，形成了正线曲线型的墨水痕迹. 实验结束后有机玻璃板用清水冲洗干净即可.

[1] 王学水，王硕. 时差式超声波流量计实验装置[J]. 物理实验，2016,36(6)：7.

[责任编辑：尹冬梅]

Visual demonstration instrument of spring vibration

ZHANG Xiao-hong

(No. 3 Middle School of Qingyang, Qingyang 745000, China)

To clearly show the vibration image of spring oscillator, a visual demonstration instrument was designed. The device used spring and balls to form a double spring oscillator, connected an infusion tube to the ball and controlled the liquid flow rate in the infusion tube with an injection pump. When the spring oscillator vibrated, its movement track was observed. A piece of plexiglass plate or paper, controlled by motor to do uniform motion, could be adopted to show the movement track. Using this instrument, the displacement-time curve was obtained when the spring oscillator moved away from the equilibrium position.

simple periodic motion; spring oscillator; vibration image; sinusoidal curve

2017-03-29

张晓红(1971-)，女，甘肃庆阳人，庆阳第三中学高级教师，学士，主要从事实验教学工作.

G633.7

A

1005-4642(2017)08-0058-02