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简谐运动是机械振动中最简单的运动,但是在单向直线运动里又是相对复杂的运动,学生的思维转变就比较困难,我们可以采取不同的实验手段来帮助我们理解,让思维难度降低,还可以培养学生的动手实践能力。如关于简谐运动的图象演示方案,综合起来就可以概括为:单摆漏流法、振子笔画法、数码拍摄法和数字传感法等。
一、单摆漏流法
1.实验原理
单摆振动图象演示法的实验装置,把漏斗吊在支架上,下方放一块硬纸板,纸板上面画一条直线OO/,漏斗静止不动时正好在直线的上方。在漏斗里装满细砂,让漏斗摆动,同时沿着跟摆动方向垂直的方向匀速拉动纸板。因为每一时刻都从漏斗中漏出细砂,所以落在硬纸板上的细砂就记录下各个时刻漏斗的位置,显示出一条曲线。这条曲线就是以横轴OO/表示时间,以纵轴表示摆球偏离平衡位置位移的单摆的振动图象。
2.实验要求
(1)需要保证盛砂漏斗在竖直平面内振动
(2)使漏斗中的细砂均匀缓慢地流出
(3)水平匀速地拉动纸板
3.存在不足
(1)单摆容易受到某种扰动而成为椭锥摆
(2)在细砂流出过程中,漏斗的重心降低,使摆长增长,对摆的周期有影响。
(3)手拉纸板很难使之匀速运动
(4)砂摆得到的图象难以展示。因为砂在纸板上不能固定,不能将纸板竖起来让学生观察,可视性不强。
4.改进措施
(1)用双线摆替代单摆
(2)用电动代替手动来保证纸板的匀速运动
(3)借助多媒体,利用投影(或者利用平面镜),增加可视性,满足全体学生观察的需求
(4)可用水摆代替砂摆
在细线下悬挂一个除去了柱塞的注射器(单摆改成双线摆,为了解决注射器在摆动中容易晃动的问题,将注射器套入内径与之相同的铁环中),注射器向下喷出一细束墨水,沿着与摆动方向垂直的方向匀速拖动固定有吸水白纸的木板,吸水白纸上的墨迹便画出了振动图像。由于用吸水纸记录的水流图象(墨迹)干得快,实验后能立即将图象竖起进行观察,直观性强,可见度大。
二、振子笔画法
1.实验原理
弹簧振子图象演示法的实验装置,质量较大的振子P中间开有小孔、侧向有固定栓,在小孔中固定一支笔峰细长的软毛笔(以便减小与纸带间的摩擦)。当振子振动时,沿垂直于振动方向匀速拉动纸带,笔P就在纸带上画出一条振动曲线。
2.实验要求
(1)振子在振动过程中,受到的阻力要小
(2)画笔与白纸之间的摩擦力要小
(3)水平匀速地拉动纸带
3.存在不足
(1)手拉纸带很难使之匀速运动
(2)振子在水平振动的过程中,受到的阻力较大
4.改进措施
(1)用电动代替手动来保证了纸带的匀速运动。
(2)将振子改成滑块,将画笔固定在滑块上,让简谐运动在水平气垫导轨上进行
(3)将水平弹簧振子改成竖直弹簧振子,减小振子在振动过程中的阻力
(4)可使用具有磁性的振子,利用磁性画板,将笔画法转换成磁性显示法,避免振子与画板直接接触而减小振子在振动过程中受到的阻力。
三、数码拍摄法
1.实验原理
利用频闪照相,频闪仪每隔一定的时间闪光一次,闪光的瞬间振子被照亮。拍摄时,底片自下而上匀速运动。因此,在底片上会留下振子和弹簧的一系列的像。
或者利用数码相机,拍摄弹簧振子振动过程的一段录像。然后,利用播放器播放再进行一帧一帧截取,从而获得类似频闪照相得到的振子和弹簧的一系列的像。
2.实验要求
(1)利用频闪技术,不仅要求底片自下而上匀速运动,而且还要求频闪的时间间隔很短,最好0.05s频闪一次。
(2)利用录像进行一帧一帧截取,要求每一帧的参考点重合。
3.存在不足
如果利用频闪技术,对设备的要求高,价值不菲;且自下而上匀速运动,有难度。如果利用录像截取,对处理视频的技术要求比较高。
四、数字传感法
1.實验原理
数字传感图象演示法的实验装置,气垫导轨上的滑块A系在一端固定的弹簧上,可以沿导轨做简谐运动;滑块B静止地放在导轨上。位移传感器的两个小盒分别固定在两个滑块上。滑块B上的小盒通过数据采集器与计算机相连,把各个时刻滑块A的位置输入计算机。计算机对数据进行处理后在屏幕上作出滑块的x-t图象。
2.实验要求
位移传感器的两个小盒要正对
3.存在不足
利用传感器法,需要气垫导轨、气泵、计算机及位移传感器等设备,涉及器材较多,并且如数字传感器等器材,并不是所有学校都具备。因此,诸多学校并不具备利用这一演示法的条件。
在教学的过程中,我们还可以利用简易的物件,来进行“简谐运动”图象的演示。如用湿了水的毛巾在教室里边走边摆,或用绳子吊着开有小孔的矿泉水瓶(装有水)代替砂摆等,也能获得比较好的效果。实际上,很多的高中物理实验,并不一定要求实验设备是多么的先进,结果多么的精确。如何将复杂的问题简单化,如何用简易的器材来演示物理现象,这也是值得我们关注和思考的。
一、单摆漏流法
1.实验原理
单摆振动图象演示法的实验装置,把漏斗吊在支架上,下方放一块硬纸板,纸板上面画一条直线OO/,漏斗静止不动时正好在直线的上方。在漏斗里装满细砂,让漏斗摆动,同时沿着跟摆动方向垂直的方向匀速拉动纸板。因为每一时刻都从漏斗中漏出细砂,所以落在硬纸板上的细砂就记录下各个时刻漏斗的位置,显示出一条曲线。这条曲线就是以横轴OO/表示时间,以纵轴表示摆球偏离平衡位置位移的单摆的振动图象。
2.实验要求
(1)需要保证盛砂漏斗在竖直平面内振动
(2)使漏斗中的细砂均匀缓慢地流出
(3)水平匀速地拉动纸板
3.存在不足
(1)单摆容易受到某种扰动而成为椭锥摆
(2)在细砂流出过程中,漏斗的重心降低,使摆长增长,对摆的周期有影响。
(3)手拉纸板很难使之匀速运动
(4)砂摆得到的图象难以展示。因为砂在纸板上不能固定,不能将纸板竖起来让学生观察,可视性不强。
4.改进措施
(1)用双线摆替代单摆
(2)用电动代替手动来保证纸板的匀速运动
(3)借助多媒体,利用投影(或者利用平面镜),增加可视性,满足全体学生观察的需求
(4)可用水摆代替砂摆
在细线下悬挂一个除去了柱塞的注射器(单摆改成双线摆,为了解决注射器在摆动中容易晃动的问题,将注射器套入内径与之相同的铁环中),注射器向下喷出一细束墨水,沿着与摆动方向垂直的方向匀速拖动固定有吸水白纸的木板,吸水白纸上的墨迹便画出了振动图像。由于用吸水纸记录的水流图象(墨迹)干得快,实验后能立即将图象竖起进行观察,直观性强,可见度大。
二、振子笔画法
1.实验原理
弹簧振子图象演示法的实验装置,质量较大的振子P中间开有小孔、侧向有固定栓,在小孔中固定一支笔峰细长的软毛笔(以便减小与纸带间的摩擦)。当振子振动时,沿垂直于振动方向匀速拉动纸带,笔P就在纸带上画出一条振动曲线。
2.实验要求
(1)振子在振动过程中,受到的阻力要小
(2)画笔与白纸之间的摩擦力要小
(3)水平匀速地拉动纸带
3.存在不足
(1)手拉纸带很难使之匀速运动
(2)振子在水平振动的过程中,受到的阻力较大
4.改进措施
(1)用电动代替手动来保证了纸带的匀速运动。
(2)将振子改成滑块,将画笔固定在滑块上,让简谐运动在水平气垫导轨上进行
(3)将水平弹簧振子改成竖直弹簧振子,减小振子在振动过程中的阻力
(4)可使用具有磁性的振子,利用磁性画板,将笔画法转换成磁性显示法,避免振子与画板直接接触而减小振子在振动过程中受到的阻力。
三、数码拍摄法
1.实验原理
利用频闪照相,频闪仪每隔一定的时间闪光一次,闪光的瞬间振子被照亮。拍摄时,底片自下而上匀速运动。因此,在底片上会留下振子和弹簧的一系列的像。
或者利用数码相机,拍摄弹簧振子振动过程的一段录像。然后,利用播放器播放再进行一帧一帧截取,从而获得类似频闪照相得到的振子和弹簧的一系列的像。
2.实验要求
(1)利用频闪技术,不仅要求底片自下而上匀速运动,而且还要求频闪的时间间隔很短,最好0.05s频闪一次。
(2)利用录像进行一帧一帧截取,要求每一帧的参考点重合。
3.存在不足
如果利用频闪技术,对设备的要求高,价值不菲;且自下而上匀速运动,有难度。如果利用录像截取,对处理视频的技术要求比较高。
四、数字传感法
1.實验原理
数字传感图象演示法的实验装置,气垫导轨上的滑块A系在一端固定的弹簧上,可以沿导轨做简谐运动;滑块B静止地放在导轨上。位移传感器的两个小盒分别固定在两个滑块上。滑块B上的小盒通过数据采集器与计算机相连,把各个时刻滑块A的位置输入计算机。计算机对数据进行处理后在屏幕上作出滑块的x-t图象。
2.实验要求
位移传感器的两个小盒要正对
3.存在不足
利用传感器法,需要气垫导轨、气泵、计算机及位移传感器等设备,涉及器材较多,并且如数字传感器等器材,并不是所有学校都具备。因此,诸多学校并不具备利用这一演示法的条件。
在教学的过程中,我们还可以利用简易的物件,来进行“简谐运动”图象的演示。如用湿了水的毛巾在教室里边走边摆,或用绳子吊着开有小孔的矿泉水瓶(装有水)代替砂摆等,也能获得比较好的效果。实际上,很多的高中物理实验,并不一定要求实验设备是多么的先进,结果多么的精确。如何将复杂的问题简单化,如何用简易的器材来演示物理现象,这也是值得我们关注和思考的。