浅议简谐运动图像演示实验的改进

摘 要：简谐运动图像的演示实验是中学物理实验的一个教学难点。目前，按照学校现成的实验仪器设备，从摆动的沙漏中不断漏出细沙于一被匀速拉动的记录底板上的实验方法难以达到满意的实验效果。并且在实验的操作过程中很难操控实验，针对像沙漏的摆速发生变化等问题，本文就先对简谐运动图像的演示实验的原理及其理论进行分析，然后讨论该实验的改进方案，以求达到满意的实验效果，提高教学效率，使学生易于操作并理解简谐运动图像的演示实验。

关键词：简谐运动；匀速直线运动；单摆；演示实验

一、 引言

在高中物理选修3-4的第一章“机械振动”中，简谐运动是这一章主要学习的一种最简单、最基本的机械运动。由于简谐运动的速度和受力都在做周期性的变化，所以对其物理过程的认识，应是从前边所学动力学的知识的一个综合应用。作为一种特殊的运动形式，它有其自身的运动规律和特点。而且将会通过了解简谐运动的特点以及如何描述这种运动，为下一章我们学习机械波以及今后学习电磁波等知识打下基础。所以做好并且能理解简谐运动图像的演示实验是非常之重要的。现在的中学物理课本上介绍的简谐运动图像的演示实验方法，如图1所示，是通过从摆动的沙漏中不断漏出细沙于一被匀速拉动的记录底板上的方法来记录简谐运动的图像。实验演示完后发现其效果欠佳，最后得到的图线也不能立放以供学生观察研究。因此，需要改进该实验的设计，使其实验的效果更佳。简谐运动图像的演示实验不仅是为了让学生看到这一运动的效果，而且是要把简谐运动的实质提供给学生，是其理解这一运动的理论依据。而且通过图像的帮助，能更好地认识和理解简谐运动中各物理量的确切含义及其相互关系。例如，根据图像就能知道振动的振幅、周期、频率；能确定某时刻质点的位移、回复力、加速度、速度的方向。因此做好这一实验就显得非常的重要。那如何对这个实验进行改进呢？下面我们就先对简谐运动图像演示实验的原理及其理论进行分析，这样有助于我们找到改进该实验的突破口。

二、 简谐运动图像的演示实验的原理及其理论分析

简谐运动是物体在跟偏离平衡位置的位移的大小成正比，并且总指向平衡位置的回复力作用下的振动。其受力特征：回复力F=-kx，要使实验演示成功或者是效果更佳，对于现用教材中用沙漏演示该实验的装置，是通过从摆动的沙漏中不断地漏出细沙于一被匀速拉动的记录板上的方法来记录简谐运动的图像，使用这种方法的缺点有四个：

①摆动体的质量随着沙子的漏出而减小，从单摆的周期：T=2πLg可以看出，其周期不因质量的改变而受到影响。但是，细沙的漏出则导致了沙漏的重心发生了变化，使其单摆的摆长L发生了改变，因而沙漏的摆动周期也就随之发生了改变，故沙漏的摆速在实验的过程中也就发生了变化。

②用手拉动放在桌面上的记录底板时，根本不可能使其达到匀速直线运动。因而影响了该实验的实验效果。

③在释放沙漏开始摆动时，学生要同时放开漏沙口和启动记录底板，在操作上对于一个人来说是非常之困难的，也就很难保证其实验能一次成功。

④尽管选用细沙，但仍很难使其流量均匀，因而也影响了图线的质量，而且最后得到的图线也不能立放以供学生观察研究。

针对这一系列问题，本文就主要是解决以下的几个问题：其一，使沙漏的摆速能够达到匀速；其二，使记录底板能做匀速直线运动；其三，解决学生操作上的难度问题；其四，要使学生易于观察和明白这一运动的实验的效果。

三、 简谐运动图像的演示实验的改进方案

[实验装置]弹簧振子、铁架台、两个小车、记录底板、沙桶、细沙、一次性注射器、细软管、白纸、红墨水、吹风机。

[演示方法]

按图2安装好实验器材，演示前向沙桶里面添加细沙，直到释放沙桶后能使小车做匀速直线运动。然后将弹簧振子的小球拉离平衡位置，放开小球，观察弹簧振子的振动情况，当振子的小球上下振动的幅度基本一致时，便可以轻推一下小车，接着用手推注射器的活塞，实验操作完成后，最后取下记录底板上的白纸，用吹风机吹干墨迹，这样便可以完成简谐运动图像的演示实验。

[分析与研究]

本实验采用了弹簧振子竖直悬挂在铁架台上，记录底板则立放于小车之上。如图2所示，其目的是为了让学生能够在课堂上老师做这一演示实验的时候，随即就可以看到简谐运动的图像。由于从小号的针头喷出的红墨水的水流很细，所以采用弹簧振子悬挂于铁架台的方法，这样只要记录底板竖直于小车之上，则弹簧振子的小球上下振动，则便使其小球上的针头与记录底板平面垂直而且要足够靠近记录底板。从针头喷射到记录底板上的红墨水就可以很好地反映出振动体的运动。

四、 结束语

物理学是一门实验科学，物理概念的建立和物理规律的发现，都以实验事实为依据。因此，在实验教学过程中，除了要有物理理论依据。反映物理思想之外，还要符合教学原则，反映教学思想。这个问题比较复杂，不容易三言两语就能说明白。但是，有一点是可以非常明确地提出的，那就是通过实验的教学应用，应该有效的促进学生的有意义学习的过程，避免学生机械性的学习过程。

参考文献：

[1]罗星凯.中学物理疑难实验专题研究[M].桂林：广西师范大学出版社，1998.

[2]安忠，刘炳升.中学物理实验教学研究[M].北京：高等教育出版社，1985.

[3]周中权.物理实验教学法[M].江西：江西師范大学物理教育研究室，1985.

[4]朱风德.物理演示实验精选[M].上海：上海科学技术出版社，1986.

[5]陈熙谋.物理演示实验[M].北京：高等教育出版社，1982.

[6]许国梁.中学物理教学法[M].北京：高等教育出版社，1996.

[7]冯容士.一物多用的物理小实验[M].上海：上海教育出版社，1989.

作者简介：

张君，广东省云浮市，广东省云浮市新兴县惠能中学。