首页 -> 2007年第11期
单摆与正弦波综合演示仪
作者：尤 凯
[关键词]单摆 漏斗 电机驱动 摩擦传递 正弦波纹
如何很好地将正弦波的轨迹呈现出来，是中学物理实验中一个非常棘手的问题。物理教师们在制作单摆演示实验装置时通常存在如下不足之处：①用手动方式拉动固定在滑板上的细绳来驱使滑板运动，因而不能保证滑板匀速运动，是无法画出的规范的正弦轨迹主要原因之一；②用手拉动滑板移回，还存在滑板回移难的问题，重复进行实验时，操作麻烦，浪费时间；③在正弦波轨迹的绘制中采用毛笔刷，实验中存在由于毛笔刷上常出现含墨不足致使绘制的正弦波常出现轨迹“断层”现象，另外由于单摆在摆动过程中高度不一致导致毛笔刷不可能画出均匀的细线，达不到预计的实验效果。
(一)演示仪设计新构思
1.用电机驱动、摩擦传动代替手动拉线，即克服了滑板不能匀速运动的问题，又解决了滑板双向运转的问题，并且摩擦传动稳定性好，效率高。
2.用盛装适量的细沙的漏斗代替毛笔刷绘制正弦波轨迹，即在漏斗里细沙随着摆单的摆动均匀地漏出，洒在铺有白纸的滑板上，从而使正弦波轨迹就清晰地留在白纸上面。
3.将可变速电机引入本仪器，通过电压调节调控电机转速，以便得到多种波长的正弦波轨迹；改变摆线长，亦可
得不同波长轨迹。
（二）装置的制作和电路连接示意图
本演示装置的制作示意结构如图1、图2、图3所示，其中图2是图1中从动轮装置的详细图：
1.机械装置部分：（1）电源开关K1；（2）电机变向开关K2；（3）仪器台面；（4）滑板槽侧板；（5）从动轮装置；（6）单摆摆线；（7）漏斗；（8）滑板；（9）单摆架；（10）主动轮；（11）从动轮；（12）橡皮筋；（13）轮轴；（14）支柱；（15）从动轮底座；（16）从动轮滑轨。
2.电路系统部分：（1）电机变向开关K2；（2）可逆电动机M；（3）电压调控器R；（4）指示灯L；（5）电源开关K1。
（三）仪器研制中的技巧及应注意的问题
1.对传动过程中滑板易打滑现象的处理办法：①使用带螺纹橡胶，即在主动轮和从动轮的内侧及滑板两侧都粘上一层带螺纹的橡胶条，增大摩擦系数；②使用橡皮筋，给从动轮的矩形底座做一个轨道，保证矩形底座可以在轨道内自由滑动，将连接主动轮的发动机和从动轮底座轨道分别固定；③在从动轮的底板上附加一柱体，在附加柱体和从动轮下柱体间用橡皮筋连接，如图3所示。这样主动轮和从动轮可以将滑板紧紧夹着，通过橡皮筋的伸缩性保证两轮始终与滑板紧密接触。 增大压力可把传动效率提高很多，确保传动的稳定性。
2.对滑板滑动不稳定的处理办法：在滑板下方装上四支小轮，以滚动代替滑动降低阻力。
（四）操作方法
单摆演示仪的操作方法及步骤简单如下:
1.接上电源，并使其保持关闭状态并检查线路连接是否正常，滑板是否与两轮紧密接触；
2.给漏斗装满细沙并查看漏斗中细沙是否顺畅漏出，摆线是否处于拉直状态；
3.使漏斗能够以不大于5o的角度垂直于滑板轨道自由摆动；
4.打开电源开关的同时，松开漏斗，可观察到细沙均匀漏在滑板上的白纸上，痕迹为正弦波形；
5.当滑板运行至轨道另一侧时关闭电源开关，同时移开漏斗；
6.换上新的白纸，这时，调节电动机电压值以便调节电动机转速；将方向开关变向。重复上诉操作，可得不同波长的正弦波轨迹。
（五）实验结论和效果
通过对实验装置简单而正确的操作,可很容易的观察到单摆在不同时刻偏离振动中心的位移。调节细绳的长度就可以得到不同周期的单摆轨迹,调节电动机的转速可得到不同波长的正弦波轨迹。
市场前景分析：该实验装置外形美观、操作简便、实验现象明显、说服力强、造价低廉，其零部件可自由组装、拆卸。此装置在中学物理演示实验方面具有很大的应用前景，是一台较好的教学仪器。
（本文是襄樊学院教研项目[JY0624]“大学生提前进入实践环节——以课题为中心探究式教学模式的探索与实践”的研究成果。指导教师：胡安正）