巧用DISLab改进简谐振动和阻尼振动的实验

陈曦 陈剑峰

摘   要：“简谐振动和阻尼振动”是章节必做的演示实验。课堂上演示简谐振动及阻尼振动的图像实验存在诸多困难。利用电压传感器很巧妙地将物理学中的力学信息转换为电学信息，对简谐振动和阻尼振动进行实验研究。最后将改进的实验装置与其他实验装置的实验结果进行比较研究，体现DISLab实验系统的精确、快捷、方便数字化显示图像等优越性。还可拓展研究：简谐振动的相位、简谐振动过程中振子的位移与弹簧受力关系的研究和验证弹簧振子周期的影响因素等。

关键词：简谐振动;阻尼振动;传感器;DISLab。

1   该项目选题的确定

课堂上演示简谐振动及阻尼振动图像实验存在诸多困难：振动体的质量随着沙子的漏出而减少，随着细沙的流出引起了沙摆重心的降低，使摆长不断增加，因而影响了摆动的周期 [1 ];沙摆摆动的同时还要放开漏沙口，且还要匀速拉动底部平板，操作上难度很大;有的实验者改用细盐代替细沙 [2 ]，也很难控制其流速，而且最后图像水平放置，观察者不能直接观察图像。且演示不了阻尼振动。

2   设计（或研究）该项目的基本思路

如图1在玻璃水槽中注入适量的低浓度食盐水，A、B、C为三根粗铜线做的电极，在A、C的极板间加上一定的电压，淡盐水中就可以形成一个均匀的电场。在A、C两极板的正中间加一极板B，刚好与滑块上的针尖（弹簧振子）的平衡位置相对应（即为零势点的位置），如图2。在中间极板B与针尖引线并联一个电压传感器，如图3，用来测量针尖与中间极板B（零势点）间的电压变化。当弹簧振子振动时，注射器的针尖一直保持浸在淡盐水中，因U∝d ，故所测量的电压变化曲线就可以看作弹簧振子位移随时间变化的图像。

拓展研究：简谐振动的相位、简谐波的叠加、简谐振动过程中振子的位移与弹簧受力关系的研究和验证、弹簧振子周期的影响因素等。

3   本实验简介

3.1   主器材

朗威DISLab电压传感器、采集器、计算机、气垫导轨及附件、弹簧、软导线、注射器、水槽、粗铜线、稳压电源等。

3.2   系统图（如图4、图5）

3.3   操作步骤

a.将电压传感器接入数据采集器，选择“示波显示”;

b.连接好实验装置，电压传感器的鳄鱼夹与软导线和B点并联;

c.调整高度，使弹簧振子振动动过程中注射器针尖始终在水面以下;

d.让弹簧振子振动，即可得到描述弹簧振子振动的图像，如图6;

e.在滑块上增加砝码，增大阻力，形成阻尼运动。通过装置得到描述阻尼振动的图像如图7。

f.简谐振动的相位、简谐波的叠加、简谐振动过程中振子的位移与弹簧受力关系的研究和验证弹簧振子周期的影响因素（步骤省）。

3.4   实验结论

a.简谐振动的图像（如图6）：b.阻尼振动的图像（如图7）：

c. 简谐振动过程中振子的位移与弹簧受力关系（如图8）：

4   该项目的主要贡献（创新部分）

本项目利用DISLab中的电压传感器很巧妙地将物理学中的力学信息转换为电学信息。体现DISLab实验系统的精确、快捷、方便等优越性。还可拓展研究：简谐振动的相位、简谐振动过程中振子的位移与弹簧受力关系的研究和验证弹簧振子周期的影响因素等实验。

参考文献：

[1]陈莉娟，戴普明，杨慧敏. 简谐振动实验方法改进研究[J]. 曲靖师范学院学报，2014（3）15-17.

[2]欧丽华. 改进沙漏摆实验的两种方法[J]. 物理教学探讨，2007（7）：55.