利用电火花计时器绘制简谐运动的图象

叶礼

摘要：介绍了利用学生熟悉的电火花计时器绘制水平弹簧振子的振动图象的方法、实验器材、装置的改装和实验步骤，对实验结果和实验的拓展性等做了说明.

关键词：电火花计时器；弹簧振子；振动图象

简谐运动是高中物理的重要内容，但由于簡谐运动的复杂性又使得学生认识起来困难很大，所以人教课标版选修3-4物理教材《简谐运动》一节中，通过绘制简谐运动的图象使学生能够直观地了解简谐运动.教材中水平弹簧振子的运动图象是通过传感器和计算机来实现的，在很多学校由于缺少气垫导轨和位移传感器，这个实验根本无法完成.在浙江版的实验手册中是通过数码相机来完成竖直弹簧振子图象的绘制，笔者在课堂上也完成了这一实验，效果很好.但是在课后，有同学提出，数码照片实际上就是频闪照片的原理，那打点计时器能完成这个实验吗？笔者之后参阅了很多资料，也了解了打点计时器的原理，设计并制作了利用电火花计时器绘制简谐运动图象的实验，这个实验能够让学生直观地观察绘制过程，加深理解，实际效果也优于数码照片法.

1实验器材及装置制作

1.1实验器材

常规器材：弹簧振子（J2201）；气泵；学生电源（J1202）；电火花计时器；白纸；导电纸；导线若干.

自备器材：电动马达；奶粉罐（金属桶）；粗铜丝两根；自制支架.

1.2装置实物（图1）

1.3装置制作

（1）弹簧振子的改造（实物如图2所示）：取一根粗铜丝，将其一端打磨成针状，作为放电针，另一端沿滑块与弹簧相连.实验时将电火花计时器输出端与弹簧相连，相当于与放电针联通.

（2）记录桶的制作（实物如图3所示）：取一个奶粉罐（带盖），在其顶和底的圆心处打孔，在底上粘贴一个传动轮并用一根直铜丝（两端磨成球面，减少放电）将其穿在自制支架上，使罐体可在支架上的马达带动下（电源由学生电源提供，通过调节电压控制速度）绕直铜丝匀速转动.桶上覆盖导电纸，在导电纸上覆盖白纸.电火花计时器输出的另一端与直铜丝相连，当闭合电火花计时器的开关时，在放电针和导电纸之间产生高压脉冲电，从而在白纸上记录下振子的位置.此处打点的原理和电火花计时器在纸带上打点原理相同.

2实验内容和操作步骤

（1）组装器材：记录桶的轴线以及弹簧振子的摆放支架等水平，并调节放电针与记录桶间的距离，使放电现象明显，打出的点清晰.

（2）接通气泵电源，使弹簧振子停在平衡位置.

（3）接通电动马达电源，使奶粉罐匀速转动，接通打点计时器电源，打出图4中的横线，作为时间轴.

（4）断开电动马达电源，使弹簧振子离开平衡位置开始振动，接通打点计时器电源，打出图4中的竖线，作为位移轴.

（5）断开打点计时器电源，接通电动马达电源，使奶粉罐匀速转动，接通打点计时器电源，打出图4中的曲线.

（6）通过图象的分析，可知：弹簧振子的振动图象近似是一条正弦曲线；在平衡位置点迹较疏，最大位移处点迹较密，是一种典型的变速运动.在后续也可以更简单地分析回复力等.

3实验拓展及缺点

3.1绘制单摆的振动图象

通过沙摆或漏斗摆来完成单摆的图象.因为摆的质量变化带来学生的困惑，可利用这个装置描述单摆的振动图象，只要对摆球做相应的处理即可，实验装置如图5所示.

3.2实验装置的缺点

（1）本实验中各电极均外露，操作不当易触电，在下一步改进中应当做好电极的保护.

（2）因为粗铜丝的氧化，连续工作一段时间后，打点的效果将大打折扣，所以在实验前需要打磨粗铜丝.endprint