[喷墨式单摆振动图像演示仪的设计] 振动图像描绘仪

　　【摘要】在单摆振动规律的教学中尝试采用课本所述演示实验进行教学，结果图像不易给学生展示，应用所学知识就地取材，利用墨水摆代替砂摆，利用双线摆代替单线摆，利用传动装置代替手工拉动，极大地提高了实验的精确度，且试验图像易于展示和规律的探究。
　　【关键词】单摆振动图像演示仪　双线摆　单摆　砂摆　墨水摆　正余弦函数图像
　　
　　本实验仪器主要用于物理教学中单摆振动规律的演示和学生自主探究。
　　在全日制普通高级中学教科书(必修加选修)《物理》第二册(人民教育出版社物理室)编著的教材第28页，为了让学生更直观地观察到单摆的振动情况，课本上设计了砂摆演示实验。现简述如下：
　　如图1所示，把漏斗吊在支架上，下方放一块硬纸板，在漏斗里装满细砂，让漏斗摆动，同时沿着与摆动方向垂直的方向匀速拉动硬纸板，由于每一时刻都从漏斗中有细砂漏出，所以落在硬纸板上的细砂就记录下各时刻摆球的位置，从而做出单摆的振动图像。
　　但是，在实验过程中，我们发现了这一实验装置存在着如下缺陷：
　　1　实验中的摆锤摆动的方向不能准确控制，所以难以保证纸板的运动方向一定与摆锤的振动方向垂直。导致做出的图像误差较大。
　　2　由于所用的记录材料是沙子，所以做出的图像不能给学生在课堂上直观地展示，也不能保存。
　　3　最致命的缺点是，由于沙子不断从漏斗中流出，使得摆锤质量在实验过程中迅速变小，增大了实验误差。事实上，这个装置在严格意义上不能算作单摆，所以用它做出的图像的振幅、频率等物理量前后变化很大。
　　为了更加准确地描绘单摆的振动罔像，便于在教学中使用和学生探究，我动手设计研制了一台单摆振动图像演示仪(图2)。下面对这一仪器进行具体介绍。
　　
　　
　　一、仪器的主要用途
　　
　　1　本仪器可供简谐振动图像的演示实验教学和学生探究实验之用。
　　2　本仪器将单摆振动与正(余)弦曲线联系起来，做出可以保存的图像，便于对实验数据的进一步处理和研究。
　　
　　二、结构特点和工作原理
　　
　　1　仪器结构图形详见图2
　　2　工作原理
　　(1)用手摇转动手柄，通过转轴传动线带动纸带沿水平方向运动，可以方便地控制纸带速度大小。
　　(2)纸带运动的同时推动医用注射器使管中的液体(红色墨水)通过细管从摆球下部的喷嘴喷出，在纸上描绘出图像。
　　
　　
　　
　　三、使用方法
　　
　　1　打开折叠式起落架，用固定钩扣住起落架上的铁环。
　　2　将摆线末端的挂钩挂在起落架横杆上的两凹槽内。
　　3　用注射器吸入约5mL无杂质的红色墨水稀释液，将摆锤上细管接在吸墨口上。
　　4　将一根约10cm宽的纸带从左向右穿过限位口，摇动转动轴手柄，调节铁夹的位置，使其位于摆锤正下方，夹住纸带。
　　5　让摆锤离开平衡位置到适当程度(摆角小于5。)，使其开始摆动。
　　6　待摆锤摆动平稳后，摇动转动轴手柄，同时均匀地推动注射器活塞开始作图。
　　7　实验完成后，取下纸带，晾干备用。
　　8　取下同定钩，折叠起落架。
　　
　　四、仪器的主要优点
　　
　　1　结构简单，易操作。
　　2　体积小，可折叠，便于携带。
　　3　通体木制，成本小。
　　4　南于使用了双摆线，有效保证了摆锤摆动方向和纸带运动方向的垂直。
　　5　使用软管穿过摆锤中心输送墨水，保证了摆锤质量始终不变，从而提高了实验的精确程度。
　　
　　五、注意事项
　　
　　1　所用墨水必须是经稀释后的墨水，每次做完试验后，用清水冲洗，以防堵塞。
　　2　转动手柄时不宜用力过大，以免拉断传送线。
　　3　输送墨水时尽量保持均匀用力。