自制新型单摆振动图象描绘实验仪

刘召新

1制作背景

简谐运动的图象是人教版普通高中课程标准实验教科书《物理》（选修 3-4）中重点和难点，课堂上利用简便的实验获得一个规范的简谐运动图象是本节课教学的关键.

传统的获得图象的方法主要是：如图1，利用频闪照相机，但是限于各个学校实验设备条件限制难以实施，而且不便于课堂教学操作；如图2和图

3，利用水漏或沙漏在纸上留迹，该方法由于振子的重心变化或者与白纸之间阻力太大，使其所作的振动不是真正的简谐运动，因此在实际操作过程中根本不能得到规范的正弦（余弦）曲线.传统的描迹方法存在着各种各样的弊端，一直是该部分物理教学的一个难以解决的难题.为了克服以上存在的问题，本文将介绍一种新型的单摆振动图象描绘实验仪.

2实验仪器的制作原理

把具有带放电针的单摆与高压脉冲的电极相连，将大小合适的纸带通过所述纸带限位孔与卷纸电机相连；当单摆振动时，接通高压电源，将其输出的高压脉冲加在单摆和振动行程下方的金属电极上，利用尖端放电原理在匀速前进的纸带上进行打点留迹，从而描绘出单摆的振动图象.

3实验仪器的制作方法

如图4，用细铜线作穿过金属摆球作为单摆的摆绳，在摆球的下端伸出一小段铜丝用作摆球的放电针；在单摆振动行程的下方固定一细窄金属作为尖端放电的另一电极；将上述中的放电针和金属放电极用导线分别与高压电的正、负电极相连；将大小合适的纸带通过所述纸带限位孔与卷纸电机相连；将以上所述具有带放电针的单摆 、金属放电极 、高压电极接线柱 、卷纸电机 、纸带固定支架 、纸带限位孔 、单摆固定支架一起组装在固定底座上组成一个整体试验装置.实验仪器的各部分名称和具体结构如图5.

4实验仪器的主要结构和功能介绍

（1）带放电针的单摆. 获取简谐运动条件，同时作为尖端放电的一极.

（2）金属放电极. 作为尖端放电的另一极.

（3）高压电极接线柱. 高压脉冲电的输出，便于与两个放电电极连接.

（4）卷纸电机. 匀速拖动纸带前进，符合空间记录时间的特点.

（5）纸带固定支架. 固定纸带盘.

（6）纸带限位孔. 限制纸带的直线运动.

（7）单摆固定支架. 为单摆提供固定点，同时固定脉冲电极导线.

（8）固定底座. 将各部分装置组成一个整体，便于使用.

5实际教学的探究过程

（1） 将本实验装置放在水平桌面上，调节平衡螺母进行调节水平.

（2）将纸带一端固定在卷纸机上，另一端穿过限位空放置在纸带固定支架上.

（3）使单摆在金属电极上方做简谐运动，控制振幅的大小与所用纸带的宽度相匹配.

（4）先接通高压脉冲电源，摆球和金属电极之间产生尖端放电，在二者之间通过的纸带上留下点迹.

（5）再接通卷纸机的电源，使其带动纸带匀速运动，尖端放电在匀速纸带上打点留迹.

（6）关闭电源，取下一段长度适中的纸带.如图6示：以纸带运动方向作为时间t轴，以垂直于时间轴的方向为位移x轴，建立直角坐标系，即可作为简谐运动图象进行教学了.

6该装置的特点

（1）常规仪器简单巧妙组合，得到极佳实验效果.

（2）利用尖端放电进行打点，留迹过程对振子几乎没有阻力，符合简谐运动条件.

（3）本裝置能够快捷地描绘出简谐运动的图象，为振动图象的研究提供了时间保障.（本课的重点）

（4）实验获得的图象是正弦曲线，为研究和获得简谐运动的规律提供了可靠的依据.（本课的难点）