振动图像描绘实验的新设计

聂爱军

(鹿泉市上庄中学 河北 石家庄 050227)

乔密海

(石家庄市井陉矿区职教中心 河北 石家庄 050100)

利用振动图像能够更好地研究、理解物体的振动，而物理教材中多年来一直沿用一种传统的“砂摆”实验来获得，得到的振动图像不够准确且不便于学生进一步进行定量分析、研究，教学效果不理想.为此，笔者经过多次反复实验、改进，研制出一种新型振动图像描绘装置，效果明显.

1 结构及制作方法

本教具由(简谐)振动系统、打点系统、纸带传动系统及相关附件等几部分组成，如图1所示.

1.减速电动机 2.电子调速器 3.电火花计时器 4.“+”“-”脉冲输出插口 5.卷纸轴 6.记录纸带 7.炭粉纸 8.定位器 9.摆球(下方为放电针)10.摆线(细漆包线) 11. 摆长微调器 12.导线 13.支架

图1 新型振动图像描绘装置

其中简谐振动系统是单摆或弹簧振子；打点系统由电火花计时器、炭粉纸、放电针及记录纸带组成；记录纸传动系统由交流220 V减速电动机、电子调速器、卷纸轴组成.

取一较平整的长方形厚木板作为底板，将支架固定在底板上.一长度略大于底板宽度，宽为5 cm的硬塑料板，在其中间做出一长度适宜宽为0.5 cm的窄缝作为定位器.在金属摆球正下方焊一放电针，用很细的漆包线作为摆线(在弹簧振子一侧下方固定一放电针并用细漆包线引出).在底板上合适位置横向固定一金属裸导线，其上方紧贴炭粉纸，用塑料胶带压实固定，然后,再在炭粉纸上方固定塑料定位器.电子调速器用的是电扇电子调速器，同时作为电子调速器和减速电动机的开关.电火花计时器应提前取出原有的炭粉纸盘.如图1，如果振动源为弹簧振子，需去掉单摆及支架，更换上如图2所示弹簧振子，结构如图2.

1.放电针 2.导线 3.振子 4.气垫导轨 5.气源导管

2 使用方法

2.1 描绘单摆的振动图像

(1)将图1实验装置摆放在水平桌面上，调整支架位置及高度，使摆球在静止时其垂心落在定位器窄缝中心线与底板标准线的交点处，并使摆球靠近交点，调节微调器，使放电针与交点间距离为0.5～1 mm.

(2)把记录纸带从定位器下方(炭粉纸上方)穿过，并用透明胶带将其一端固定在卷纸轴上(记录纸带中线与底板标准线对齐).

(3)连接打点系统电路，使炭粉纸与电火花计时器“+”脉冲输出端接通，放电针与电火花计时器“-”脉冲输出端接通.

(4)使单摆沿定位器窄缝中心线摆动起来(摆角小于5°)，作简谐振动.

(5)闭合电火花计时器开关，摆球在摆动同时，高压脉冲在放电针与炭粉纸之间放电，电火花击穿记录纸，使炭粉沉积在记录纸上，记录下放电时刻振动物体的位置.

(6)闭合减速电动机开关，使减速电动机转动起来，同时通过皮带带动卷纸轴转动，匀速拉动纸带向前运动，这时便会在记录纸上描绘出做简谐振动物体的振动图像.

(7)调节电子调速器旋钮，改变减速电动机转速，便可描绘出以不同速度拉动纸带时的简谐振动物体的振动图像.如图3，其中v1>v2.

图3

(8)图像描绘完成后，先打开电火花计时器开关，再打开减速电动机开关，最后,取下记录纸带，便可进行相关分析计算.

2.2 描绘弹簧振子的振动图像

(1)将如图1实验装置摆放在水平桌面上，调整弹簧振子位置及放电针高度，使放电针尖在静止时其垂心落在定位器窄缝中心线与底板标准线的交点处，并使放电针与交点间距离为0.5～1 mm.

(2)把记录纸带从定位器下方(炭粉纸上方)穿过，并用透明胶带将其一端固定在卷纸轴上(记录纸带中线与底板标准线对齐).

(3)连接打点系统电路，使炭粉纸与电火花计时器“+”脉冲输出端接通，放电针与电火花计时器“-”脉冲输出端接通.

(4)闭合气泵开关，使弹簧振子振动起来，调整其位置，使放电针尖沿定位器窄缝中心线作简谐振动.

(5)闭合电火花计时器开关，弹簧振子在振动同时，高压脉冲在放电针与炭粉纸之间放电，电火花击穿记录纸，使炭粉沉积在记录纸上，记录下放电时刻振动物体的位置.

(6)闭合减速电动机开关，使减速电动机转动起来，同时,通过皮带带动卷纸轴转动，匀速拉动纸带向前运动，这时便会在记录纸上描绘出做简谐振动物体的振动图像.

(7)调节电子调速器旋钮，改变减速电动机转速，便可描绘出以不同速度拉动纸带时的简谐振动物体的振动图像.如图2，其中v1>v2.

(8)图像描绘完成后，依次打开电火花计时器、减速电动机、气泵开关，最后,取下记录纸带，便可进行相关分析计算.

3 注意事项

(1)因电火花计时器工作时输出高压脉冲，使用时应注意安全.

(2)静止时，放电针与记录纸间距离不宜过高也不宜过低，以0.5～1 mm为宜.

(3)单摆摆动时，摆角小于5°，同时应在同一平面内摆动，不要形成圆锥摆 .

(4)选用很细的漆包线作为摆线.

(5)按正确顺序进行操作，特别是电器开关的闭合与断开.

4 实验说明

(1)本实验装置所绘振动图像清晰、准确,便于定性分析.

(2)利用变速机构可描绘出以不同速度拉动纸带时的振动物体的振动图像，更便于对比分析和定量计算.

(3)利用本实验装置，可以描绘出简谐振动、阻尼振动、受迫振动及共振的振动图像.

(4)本实验装置设计合理，教学效果明显，在石家庄市第十五届优秀自制教具评选活动中获科研成果二等奖.