摘 要：簡諧運(yùn)動圖像的演示實驗是中學(xué)物理實驗的一個教學(xué)難點。目前，按照學(xué)校現(xiàn)成的實驗儀器設(shè)備，從擺動的沙漏中不斷漏出細(xì)沙于一被勻速拉動的記錄底板上的實驗方法難以達(dá)到滿意的實驗效果。并且在實驗的操作過程中很難操控實驗，針對像沙漏的擺速發(fā)生變化等問題，本文就先對簡諧運(yùn)動圖像的演示實驗的原理及其理論進(jìn)行分析，然后討論該實驗的改進(jìn)方案，以求達(dá)到滿意的實驗效果，提高教學(xué)效率，使學(xué)生易于操作并理解簡諧運(yùn)動圖像的演示實驗。

關(guān)鍵詞：簡諧運(yùn)動；勻速直線運(yùn)動；單擺；演示實驗

一、 引言

在高中物理選修3-4的第一章“機(jī)械振動”中，簡諧運(yùn)動是這一章主要學(xué)習(xí)的一種最簡單、最基本的機(jī)械運(yùn)動。由于簡諧運(yùn)動的速度和受力都在做周期性的變化，所以對其物理過程的認(rèn)識，應(yīng)是從前邊所學(xué)動力學(xué)的知識的一個綜合應(yīng)用。作為一種特殊的運(yùn)動形式，它有其自身的運(yùn)動規(guī)律和特點。而且將會通過了解簡諧運(yùn)動的特點以及如何描述這種運(yùn)動，為下一章我們學(xué)習(xí)機(jī)械波以及今后學(xué)習(xí)電磁波等知識打下基礎(chǔ)。所以做好并且能理解簡諧運(yùn)動圖像的演示實驗是非常之重要的?，F(xiàn)在的中學(xué)物理課本上介紹的簡諧運(yùn)動圖像的演示實驗方法，如圖1所示，是通過從擺動的沙漏中不斷漏出細(xì)沙于一被勻速拉動的記錄底板上的方法來記錄簡諧運(yùn)動的圖像。實驗演示完后發(fā)現(xiàn)其效果欠佳，最后得到的圖線也不能立放以供學(xué)生觀察研究。因此，需要改進(jìn)該實驗的設(shè)計，使其實驗的效果更佳。簡諧運(yùn)動圖像的演示實驗不僅是為了讓學(xué)生看到這一運(yùn)動的效果，而且是要把簡諧運(yùn)動的實質(zhì)提供給學(xué)生，是其理解這一運(yùn)動的理論依據(jù)。而且通過圖像的幫助，能更好地認(rèn)識和理解簡諧運(yùn)動中各物理量的確切含義及其相互關(guān)系。例如，根據(jù)圖像就能知道振動的振幅、周期、頻率；能確定某時刻質(zhì)點的位移、回復(fù)力、加速度、速度的方向。因此做好這一實驗就顯得非常的重要。那如何對這個實驗進(jìn)行改進(jìn)呢？下面我們就先對簡諧運(yùn)動圖像演示實驗的原理及其理論進(jìn)行分析，這樣有助于我們找到改進(jìn)該實驗的突破口。

二、 簡諧運(yùn)動圖像的演示實驗的原理及其理論分析

簡諧運(yùn)動是物體在跟偏離平衡位置的位移的大小成正比，并且總指向平衡位置的回復(fù)力作用下的振動。其受力特征：回復(fù)力F=-kx，要使實驗演示成功或者是效果更佳，對于現(xiàn)用教材中用沙漏演示該實驗的裝置，是通過從擺動的沙漏中不斷地漏出細(xì)沙于一被勻速拉動的記錄板上的方法來記錄簡諧運(yùn)動的圖像，使用這種方法的缺點有四個：

①擺動體的質(zhì)量隨著沙子的漏出而減小，從單擺的周期：T=2πLg可以看出，其周期不因質(zhì)量的改變而受到影響。但是，細(xì)沙的漏出則導(dǎo)致了沙漏的重心發(fā)生了變化，使其單擺的擺長L發(fā)生了改變，因而沙漏的擺動周期也就隨之發(fā)生了改變，故沙漏的擺速在實驗的過程中也就發(fā)生了變化。

②用手拉動放在桌面上的記錄底板時，根本不可能使其達(dá)到勻速直線運(yùn)動。因而影響了該實驗的實驗效果。

③在釋放沙漏開始擺動時，學(xué)生要同時放開漏沙口和啟動記錄底板，在操作上對于一個人來說是非常之困難的，也就很難保證其實驗?zāi)芤淮纬晒Α?/p>

④盡管選用細(xì)沙，但仍很難使其流量均勻，因而也影響了圖線的質(zhì)量，而且最后得到的圖線也不能立放以供學(xué)生觀察研究。

針對這一系列問題，本文就主要是解決以下的幾個問題：其一，使沙漏的擺速能夠達(dá)到勻速；其二，使記錄底板能做勻速直線運(yùn)動；其三，解決學(xué)生操作上的難度問題；其四，要使學(xué)生易于觀察和明白這一運(yùn)動的實驗的效果。

三、 簡諧運(yùn)動圖像的演示實驗的改進(jìn)方案

[實驗裝置]彈簧振子、鐵架臺、兩個小車、記錄底板、沙桶、細(xì)沙、一次性注射器、細(xì)軟管、白紙、紅墨水、吹風(fēng)機(jī)。

[演示方法]

按圖2安裝好實驗器材，演示前向沙桶里面添加細(xì)沙，直到釋放沙桶后能使小車做勻速直線運(yùn)動。然后將彈簧振子的小球拉離平衡位置，放開小球，觀察彈簧振子的振動情況，當(dāng)振子的小球上下振動的幅度基本一致時，便可以輕推一下小車，接著用手推注射器的活塞，實驗操作完成后，最后取下記錄底板上的白紙，用吹風(fēng)機(jī)吹干墨跡，這樣便可以完成簡諧運(yùn)動圖像的演示實驗。

[分析與研究]

本實驗采用了彈簧振子豎直懸掛在鐵架臺上，記錄底板則立放于小車之上。如圖2所示，其目的是為了讓學(xué)生能夠在課堂上老師做這一演示實驗的時候，隨即就可以看到簡諧運(yùn)動的圖像。由于從小號的針頭噴出的紅墨水的水流很細(xì)，所以采用彈簧振子懸掛于鐵架臺的方法，這樣只要記錄底板豎直于小車之上，則彈簧振子的小球上下振動，則便使其小球上的針頭與記錄底板平面垂直而且要足夠靠近記錄底板。從針頭噴射到記錄底板上的紅墨水就可以很好地反映出振動體的運(yùn)動。

四、 結(jié)束語

物理學(xué)是一門實驗科學(xué)，物理概念的建立和物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，都以實驗事實為依據(jù)。因此，在實驗教學(xué)過程中，除了要有物理理論依據(jù)。反映物理思想之外，還要符合教學(xué)原則，反映教學(xué)思想。這個問題比較復(fù)雜，不容易三言兩語就能說明白。但是，有一點是可以非常明確地提出的，那就是通過實驗的教學(xué)應(yīng)用，應(yīng)該有效的促進(jìn)學(xué)生的有意義學(xué)習(xí)的過程，避免學(xué)生機(jī)械性的學(xué)習(xí)過程。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅星凱.中學(xué)物理疑難實驗專題研究[M].桂林：廣西師范大學(xué)出版社，1998.

[2]安忠，劉炳升.中學(xué)物理實驗教學(xué)研究[M].北京：高等教育出版社，1985.

[3]周中權(quán).物理實驗教學(xué)法[M].江西：江西師范大學(xué)物理教育研究室，1985.

[4]朱風(fēng)德.物理演示實驗精選[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1986.

[5]陳熙謀.物理演示實驗[M].北京：高等教育出版社，1982.

[6]許國梁.中學(xué)物理教學(xué)法[M].北京：高等教育出版社，1996.

[7]馮容士.一物多用的物理小實驗[M].上海：上海教育出版社，1989.

作者簡介：

張君，廣東省云浮市，廣東省云浮市新興縣惠能中學(xué)。