基于弹簧振子的简谐振动图像演示实验的改进设计与制作

姜先策　孙双双

【摘 要】针对现有基于弹簧振子的简谐振动图像演示实验装置存在的不足，本文介绍了装置改进的设计方案，提高了课堂演示效果。

【关键词】弹簧振子;简谐振动;图像

中图分类号： O32;TH73 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）32-0023-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.32.009

The Application of Polaroid Light in Engineering

JIANG Xian-ce1 SUN Shuang-shuang2

（1.Naval aviation university Qingdao campus，Qingdao Shandong 266041，China;

2.Qingdao University of Science and Technology，Qingdao Shandong 266061，China）

【Abstract】Aiming at the shortcomings of the existing image demonstration experimental device of simple harmonic vibration based on spring oscillator. This paper introduces the design scheme of device improvement， which improves the effect of classroom demonstration.

【Key words】Spring oscillator; Simple harmonic vibration; Image

1 现有演示实验装置存在的不足

目前基于弹簧振子的简谐振动演示实验装置存在以下不足：（1）弹簧振子作水平方向的运动，通过气垫导轨来平衡掉重力的作用影响。进行实验时，需要配备交流供电的气垫导轨气泵，携带不方便;（2）弹簧振子运动过程中绘制的简谐振动图像位于水平面上，要让学生直观看到图像，需要借助平面反射镜或实物投影仪;（3）每次实验之前需要准备好足够长度的绘图纸，绘图纸不能反复使用，造成浪费。

2 实验装置改进设计的结构

针对以上不足，我们设计了沿竖直方向运动的弹簧振子简谐振动系统，实验装置的前视图如图1所示。

图1

在矩形底座上安装四个带底座轴承，竖直方向在一条直线上的两个轴承的内环之间安装滚轴。在两根滚轴之间安装水写布制成的传送带。左侧滚轴下方安装调速电机，调速电机可带动滚轴转动，滚轴可带动水写布传送带向左运动。在右侧滚轴的右侧安装可伸缩撑杆，撑杆之间安装弹簧振子系统。圆柱形振子安装有水写笔，其前视图和侧视图如图2所示。

图2

振子为圆柱形中空瓶状结构，其上下两端带有固定弹簧钩头的结构。上端为可拧开的瓶盖结构，拧开后可注入自来水。振子中部朝向水写布一侧装有水写笔头，笔头内部与振子内部相通，以保证振子内装的自来水顺利到达笔尖。

实验装置的后视图如图3 所示。

图3

矩形底座与水写布对应位置设置两个矩形孔，用来安装两个计算机笔记本散热底座用的散热风扇，用于将朝向底座一侧的水写布上的水迹吹干。底座四角安装强力磁钢，用于将底座吸附于黑板。底座下部中间位置安装电源仓，用于安装直流充电电池（可直接采用手机充电宝）。

3 实验装置制作及演示时应注意的问题

（1）与水写布右侧滚轴相连接的两个轴承的底座的位置要能沿水平方向移动调整，以保证水写布绷紧展平。

（2）两个滚轴两端要有水写布限位装置，保证水写布运动过程中在竖直方向不發生偏移。为减轻重量滚轴设计为中空结构。为配合风扇快速去除水写布图形水迹，可将两滚轴设计为下端封闭、上端开口带盖结构，可装入开水用于对水写布进行加热升温，提高去除图形水迹的速度。

（3）为保证水写笔尖正对水写布、振子在竖直方向运动过程中不发生扭转，撑杆两侧用于固定弹簧钩头的连接部位应为可旋转调整固定结构，实验前与振子两端的弹簧固定结构配合调整，使弹簧不发生扭转变形，同时使水写笔的笔尖正对水写布，并接触良好。

（4）为保证振子运动过程中所画简谐振动图形美观，要统筹考虑弹簧振子振动周期和调速电机带动水写布水平方向运动的速度。为保证水写布转到背面时图形水迹及时消除，水写布运动速度不宜过快。因此应在调整好好水写布运动速度的前提下，来选择弹簧振子的周期大小。而弹簧振子的周期取决于弹簧的劲度系数和振子质量。因为采用的是两根相同弹簧，设弹簧劲度系数为k，振子质量为m，则周期公式为T=2π■。弹簧的劲度系数可根据以下公式进行估算：

k=■（N/mm）

其中G为弹簧线材的刚性模数，考虑到市面上多为不锈钢材料，其刚性模数大约为71000左右;d为线径（单位为mm）;Dm为弹簧的外径与弹簧线径的差值（单位为mm）;NC为弹簧有效总圈数（等于弹簧总圈数减2）。

（5）装置底座的磁钢的选取，一方面要保证装置比较牢靠地吸附于黑板，另一方面要使底座与黑板间保持适当距离，使风扇能正常发挥通风通能。