问题引领导向 创新设计突破——以可控式电火花单摆演示器设计为例

胡小军

(江苏省姜堰市第二中学,江苏 姜堰 225500)

1 引言

物理教材机械运动首先从运动学的角度定义:质点运动时位移与时间的关系遵从正弦函数规律[x-t图像是一条正弦(或余弦)曲线]的振动称为简谐运动;其振动图像很直观地表现出作简谐运动质点运动的位移随时间按正弦(或余弦)规律变化．因而简谐运动的图像是认识理解最简单、基本机械振动规律的的重点和难点,那么如何利用简便的实验获得规范、清晰的简谐运动图像是探究机械振动规律的关键．

笔者对单摆(最大摆角α<5°)这种非匀变速往复杂运动进行了深入探究．从“是什么”角度的运动描述入手,探究单摆振动图像的建立;在猜想、实验验证的过程中认知质点简谐运动的图像是一条正弦(或余弦)曲线;对单摆实验仪器拓展设计可控调速对比振动图像的过程,深化辨析质点简谐运动的图像并不表示质点的运动轨迹,并从中感悟时空转换思想是记录实际振动的常用方法．笔者对现有单摆实验器材进行了对比分析,力图保持原有实验器材真实感性认识,更注重器材拓展“探究性”,激发学生主动学习、探究学习的渴望.

2 问题的提出

传统的利用沙摆或水漏在纸上留迹,随着沙或水的流出,其摆球的质心发生变化,对应的摆振动周期也在变化;其次得到图像只能平放观察不能竖立展示,更不易保存和比较研究．

采用摆球下带毛笔的方法．该方案实际操作时不易,常会出现纸带上的墨水不均匀、不清晰,甚至弄得到处都是墨水．而且由于受到纸带的阻力,摆球的振幅逐渐减小,得到图像是阻尼振动的曲线．

利用DIS系统获得单摆简谐运动图像．虽然能快速、准确、动态地采集实验信息,并通过计算机辅助分析;但对于初识机械运动的学生来说直接给出简谐运动的图像,不利于学生建立机械运动规律的特点,更难通过其图像进一步分析现象和揭示本质;而且昂贵的DIS系统成本使很多学校望而却步．

3 问题的探究

3.1 采用电火花打点记录单摆振动图像

将摆球悬线改成细软的导线,穿过摆球连接下端的放电针,同时连接学生用打点计时器正脉冲输出端;其次在底座木板表面帖上铜箔作为负脉冲电极,连接学生用电火花打点计时器的脉冲输出(如图1甲)．将墨粉纸平铺在铜薄的上面(如图1乙),加绝缘固定夹使其接触良好,让纸带穿过限位孔．调节摆长使摆球放电针与纸带之间的距离很小,尖端放电在匀速纸带上打点,记录摆球该时刻的位置．

电火花打点优势明显： (1) 摆球振动过程中跟纸带没有直接接触,纸带几乎没有受到阻力作用,所以描绘出摆球的图像符合简谐运动的规律．(2) 获得的简谐运动图像便于展示,可选取纸带点迹清晰部分以运动方向为时间t轴,以垂直运动方向为位移x轴,建立图像的直角坐标系进一步探究．纸带记录了摆球在不同时刻的位置,同时也记录了单摆运动的周期．可以直接从图像求出周期和通过测量单摆的摆长计算出周期进行比对分析．

(甲)

(乙)

3.2 采用减速传动机构

传统的手拉木板或纸带并不能一直保持匀速运动,采用在底座木板下安放变速齿轮减速传动机构,通过无噪声直流电机提供缓慢、平稳速度,获得图像曲线时间轴的周期性更标准．

增加滑动变阻器,改变阻值控制纸带的运动速度,从而匹配单摆的振动周期．当单摆周期一定时,纸带留下的点迹的周期曲线长度=纸带运动速度×单摆周期．由于纸带运动速度不同,可得到不同类型的图像曲线的对比演示功能．

3.3 采用可调振幅结构

在单摆支架台上适当位置固定可调振幅结构的电磁铁(图2甲),改变电磁铁的延长杆可灵活调整单摆摆角和摆幅,不易出现锥摆．通过单刀双置开关(图2乙),当开关置于“吸住”位置,这时通电的电磁铁具有磁性就能把摆球吸住．开关拨置“走动”位置时,接通电动机的同时断开电磁铁的电源,摆球立即被释放,纸带被传动机构拖着作匀速运动．通过这样的可调摆幅的电磁起放方式,可准确定位摆球起摆位置,获得的单摆振动曲线比较精确规范,简谐运动图像的可再现率高．

(甲)

(乙)

4 实验探究过程

4.1 初步探究

(1) 将单摆实验底座装置放在桌面上,调节木板底座平衡螺母使之呈水平状态,安装竖铁杆及摆长调节器、可调振幅电磁铁．

(2) 将摆球的软细线从摆长调节器穿过,并调节好线的长度,使摆球放电针紧靠墨粉纸盘后,再用固定螺丝止紧．

(3) 将直流电源6 V连接到滑动变阻,并连接木板底座传动机构接线柱,接通电源总开关S1时,先将S2置于“吸住”位,同时吸附单摆小球．

(4) 把纸带一端穿过限位孔,将齿形压轮放入木板底座传动支架上,并压住纸的一端．

(5) 接通打点计时器电源,立即将S2置于“走动”位置,电磁铁失去磁性,释放摆球．传动机构带着纸带水平运动,摆球下的放电针之间产生尖端放电,在纸带上留下点迹．

(6) 先打点计时器电源,再关闭电源总开关S1．取下纸带,选取一段适中的部分,以纸带运动方向作为摆球的时间轴,以垂直于纸带运动方向为摆球的位移纵轴,建立直角坐标系比较分析,获得即为单摆的简谐运动图像．

4.2 深度探究

(1) 保持摆长调节器不动,可调摆幅结构不变,改变滑动变阻的阻值,仍然从相同的位置释放摆球,重新按照步骤操作,对比分析简谐运动图像的特点．

比较图3(甲)、(乙)两幅图像的一个周期内打点的个数相同,反映单摆摆长调节器不动时,单摆周期相同．同时两幅图像的最大位移相同,但是一个周期的水平长度不同．分析发现:单摆周期一定时,纸带留下的点迹曲线的周期水平长度=纸带运动速度×单摆周期．由于纸带运动速度不同,所以得到不同类型的图像曲线．

图3

(2) 保持滑动变阻的阻值不变,可调摆幅结构不变,调节摆长调节器,改变单摆的摆长,可得到不同频率的简谐运动图像,如图4甲、乙两幅图像的一个周期内打点的个数不相同．

图4

(3) 保持滑动变阻的阻值不变,保持摆长调节器不动,调节可调摆幅结构,改变可调摆幅结构,可得到不同振幅的简谐运动图像(如图5甲、乙)．

图5

(4) 进一步还可研究电火花打点图像曲线纸带上的各点的周期性,就可直接求出单摆的周期与频率,测量摆长通过单摆的周期公式进一步作对比分析．

5 总结与展望

5.1 功能独特实用,优势显著

笔者对期刊文献上的单摆演示器案例进行了分析对比,并对器材市场现有单摆演示器调查研究．针对传统水漏或沙漏单摆在纸上留迹图像不易观察,绘制曲线不均匀,演示时操作困难、故障多等．以实用性作为设计原则,利用日常实验室现有的实验器材对单摆实验进行创新改进,具有如下的特点:

(1) 图像直观清晰准确.

由于摆球振动过程中跟纸带几乎没有受到阻力作用,描绘出带曲线图像的平滑顺畅、清晰准确．获得的曲线图像可在竖面演示观察,通过绘制图像的时间轴线、位移轴对曲线进行深入比对研究分析,发现图像符号简谐运动的特点,具有良好的等幅性、等时性．

(2) 拓展图像的探究性.

实验器材可从纸带的运动、单摆摆幅大小、摆长长这3个维度进行控制变量测量研究．同时纸带通过打点计时器,在纸带上打下的点就记录了物体运动的时间,纸带上的点也相应的表示出了运动物体在不同时刻的位置．研究纸带上的各点间的间隔,就可分析单摆的周期与频率,测量摆长通过单摆的周期公式进一步作对比分析．

(3) 操作简单便捷.

仪器采用联动电路设计,按照电路图连接,安装纸带,按动开关即可．纸带采用变速齿轮减速传动机构,通过无噪声直流电机提供动力,纸带运行平稳耐用．

5.2 创新改进,设计科学

利用电火花打点器提供高压脉冲输出,改进墨粉纸盘结构,由尖端放电在纸带上记录单摆的瞬时位置．拓展设计可控调速纸带传动机构对比振动图像的过程,深化辨析质点简谐运动的图像并不表示质点的运动轨迹．仪器对摆长、摆幅均做了可调控设计,便于从纸带的运动、单摆摆幅大小、摆长长这3个维度进行控制变量探究,应用于不同方式和层次的的探究活动．增强趣味性和灵活性,重视基础和思路,力图激发学生主动学习、探究学习的渴望．