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1、描繪簡諧運動振動圖象-演示實驗的改進(jìn)韓 康 冉英(北京市順義區(qū)楊鎮(zhèn)一中)【摘要】 在“ 簡諧運動振動圖象” 演示實驗中利用電火花打點計時器打點描繪簡諧運動圖, 使實驗更簡單、易操作, 增強了直觀性和可見性, 從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣, 調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。【關(guān)鍵詞】 電火花打點計時器; 導(dǎo)電紙;變速器;控制面板;氣泵;放電針【正文】現(xiàn)行教材采用沙擺描繪簡諧運動的圖像,該方法原理科學(xué)、直觀,能很好的幫助學(xué)生理解簡諧運動的運動規(guī)律。我們在教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn),該實驗還存在一些不足:(1)原理的缺陷隨著沙的流出,沙擺的重心不斷變化,導(dǎo)致擺長變化,從而導(dǎo)致沙擺振動周期變化。(2)操作上的困難容易形成錐擺;沙
2、擺中的沙子經(jīng)常無法順暢的流出,造成實驗失?。簧匙用枥L的圖像容易被破壞,不便對其做進(jìn)一步研究。0tX為了克服以上不足之處,我們對其做了三個方面的改進(jìn):(1)利用電火花打點計時器打點描繪圖像; 首先用漆包細(xì)銅絲代替細(xì)線懸掛擺球,并在小球下端安裝放電針,用導(dǎo)線連接打點計時器正脈沖輸出插座與擺球下面的放電針;其次在平板小車上先后鋪上導(dǎo)電紙和白紙連接到打點計時器的負(fù)脈沖輸出插座。將平板小車放在小球的正上方且使放電針與導(dǎo)電紙之間的距離很小,開啟打點計時器,放電針放電打點,記錄小球該時刻的位置。 用這種方法描繪簡諧運動圖像有兩個優(yōu)點:圖像可以永久保存,方便進(jìn)一步研究;實驗結(jié)果更精確。漆包細(xì)銅絲放電針正脈沖輸
3、出插座負(fù)脈沖輸出插座導(dǎo)電紙白 紙 紙平板小車(2)用電動平板車運載記錄紙; 在平板下安放車輪,并用電動機給它提供動力。由于電動機轉(zhuǎn)速過快,我們通過變速齒輪減速,以匹配單擺的振動周期。為了方便控制小車,用外部電源連接電機接線柱給電機供電。在平板小車表面帖上鋁薄作為負(fù)脈沖電極,通過接線柱連接計時器負(fù)脈沖輸出。將墨粉紙或?qū)щ娂埰戒佋阡X薄的上面,并保證接觸良好,再把白紙平鋪在導(dǎo)電紙。由于它們的平整程度直接影響到打點計時器的打點效果,所以用兩根橡皮筋加固。 這樣改進(jìn)有兩個優(yōu)點:實驗變得更好操控;可以獲得更穩(wěn)定的速度,使時間軸更標(biāo)準(zhǔn),圖像更完美。(3)用永久磁鐵吸附和釋放單擺小球 在鐵架臺上適當(dāng)位置,用鐵
4、夾固定一根鐵釘,用永久磁鐵通過鐵釘吸附小球。當(dāng)小球靜止后,拿走磁鐵,小球開始做簡諧運動。優(yōu)點:不易出現(xiàn)錐擺;便于控制擺球的振幅;相比電磁鐵更節(jié)能環(huán)保。實驗儀器按功能分為三個模塊:(1)單擺 擺線用漆包細(xì)銅絲,并在擺球下面安裝放電針。(2)記錄裝置:電動平板小車(3)控制面板 為了使實驗儀器顯得將簡潔,緊湊,將電動平板小車的電源和控制開關(guān)、打點計時器、導(dǎo)線做到一個木板上,我們稱它為控制面板。正脈沖輸出導(dǎo)線連接單擺小球。三芯線中負(fù)脈沖輸出導(dǎo)線連接小車負(fù)脈沖接線柱,電機電源導(dǎo)線分別接小車的電機接線柱。電機電源是一節(jié)5號電池,用雙刀雙擲開關(guān)控制小車的啟動和運動方向。計時器開關(guān)控制脈沖電壓。負(fù)脈沖輸出導(dǎo)
5、線接小車負(fù)脈沖接線柱正脈沖輸出接單擺小球電機控制開關(guān)控制面板電機電源線 接小車電機接線柱按照下圖,安裝儀器,并連接好電路開始實驗。讓單擺小球在平衡位置靜止,打開計時器開關(guān),啟動小車,當(dāng)小車完全通過擺球下方時,關(guān)閉小車,關(guān)閉計時器;用永久磁鐵吸附單擺小球,待靜止后,拿開永久磁鐵,小球開始做簡諧運動,打開計時器,等小球擺動幾個周期后,再啟動小車,使其向相反的方向運動,當(dāng)小車完全通過擺球下方時,關(guān)閉小車,關(guān)閉計時器從小車上取下白紙,在白紙的背面會留下小球的振動圖像。我們在白紙的背面會得到三條曲線正中間一條直線,體現(xiàn)小球的平衡位置;開始有一條豎直線,體現(xiàn)小球在相對于平衡位置的位移方向;以上面兩條互相垂
6、直的直線為坐標(biāo)的一條正弦曲線。 正弦曲線上各點的物理意義:該時刻小球相對平衡的位移。所以我們以代表小球平衡位置的直線為時間軸,以小球位移方向為縱軸,該曲線代表的是各時刻小球的位移。由于受技術(shù)條件的限制,彈簧振子的振動圖像一直沒有較準(zhǔn)確描繪出來。利用上面相同的原理,可以完成這個實驗。使用的儀器有氣墊彈簧振子和氣泵,在彈簧振子上加裝放電針,并利用彈簧連接放電針和正脈沖輸出。按照圖示,安裝儀器,并連接好電路開始實驗。打開氣泵,讓彈簧振子在平衡位置靜止,打開計時器開關(guān),啟動小車,當(dāng)小車完全通過放電針下方時,關(guān)閉小車,關(guān)閉計時器;讓彈簧振子做簡諧運動,打開計時器,等振子振動幾個周期后,再啟動小車,使其向相反的方向運動,當(dāng)小車完全通過放電針下方時,關(guān)閉小車,關(guān)閉計時器從小車上取下白紙,在白紙的背面會留下彈簧振子的振動圖像。本實驗的優(yōu)點:既繼承了傳
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