肖貴臏，代　偉，段晨靚，李　青，湯　廷

(西華師范大學，四川 南充　637002)

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*通訊聯(lián)系人

用激光掃描法演示簡諧振動圖像

肖貴臏，代偉*，段晨靚，李青，湯廷

(西華師范大學，四川 南充637002)

摘 要：針對傳統(tǒng)探究簡諧振動圖像的實驗存在的不足，重新設計了實驗裝置，該裝置利用半導體激光為光源，巧妙地將豎直方向的簡諧振動和水平方的往復運動進行合成得到了簡諧振動圖像。通過觀察屏幕上光點振動展開后形成的正弦(或余弦)曲線的全過程，可方便學生更好地理解簡諧振動圖像的形成原理。

關鍵詞：激光；簡諧振動；正弦曲線

在現(xiàn)行高中物理演示實驗裝置中，尤其是力學實驗裝置中，經(jīng)常要演示物體做簡諧振動的振動過程和振動曲線簡諧振動作為最基本的振動，許多實際的周期振動雖然不是簡諧振動但可以看成多個簡諧振動合成的結果。因此，熟悉簡諧振動的規(guī)律，研究簡諧振動的合成對理解機械振動、光波和聲波的干涉和衍射等現(xiàn)象都有重要意義。而作為物理演示實驗儀器應具備如下優(yōu)點：實驗裝置簡單、方便、易于操作；實驗結果準確；實驗現(xiàn)象明顯可視度大，能激發(fā)學生的好奇心求知欲；實驗具有拓展性、能啟迪學生思維、引導學生創(chuàng)新、糾正知識理解困惑、擴展學生視野。新設計的簡諧振動圖像演示儀利用激光器、振動鏡、電磁打點計時器、調速電機、六棱形旋轉鏡、垂直光屏演示儀設計巧妙，可操作性強，演示效果好，能對簡諧振動進行很好的合成和演示。

1現(xiàn)有簡諧振動圖像演示儀存在的不足

目前演示物體做簡諧振動的儀器較多，其中最為常見的是高中物理教科版選修3～4第一章第三節(jié)開頭用的小角度擺動沙漏來近似演示簡諧振動的圖像，用沙擺演示簡諧振動存在許多不足：①實驗結果不準確，如單擺易形成圓錐擺；②在沙粒下落的過程中，沙桶重心同時下降，使擺線變長；③手拉動硬紙板不能保證其勻速前行；④沙擺畫出的圖像只能在水平面上觀察，不能以豎直平面圖像展現(xiàn)在學生面前，即可見度和觀察效果不好；⑤實驗器材零散，不利于來回搬動。⑥實驗不具有拓展性，不具備一物多用，節(jié)約資金的優(yōu)點。參考文獻[1]中作者將機械振動的位移轉換成電信號接入示波器，利用示波器的顯示原理來演示氣墊彈簧振子的簡諧振動圖像，這種設計結構復雜，演示所用的器材較多，波形顯示原理學生不易理解。參考文獻[2]中介紹的儀器本身也具有不足之處：如用鋼尺帶動鏡片做簡諧振動不能克服阻尼的影響。

2新設計的激光掃描法簡諧振動圖像演示儀

新設計的多功能簡諧振動演示儀如圖1所示。儀器有一底座，底座上安裝有控制箱，激光器，調速電機(可在0～100轉/分的范圍內進行調節(jié))。旋轉六棱鏡安裝在調速電機上與電機同步旋轉。激光器的右后方安裝電磁打點計時器，振動鏡是由一小塊平面鏡與電磁打點計時器簧片的一端粘合而成。底板的右后方安裝有光屏。激光器，調速電機，電磁打點計時器的控制元件全部安裝在控制箱內。

3實驗方法

接通激光器、電磁打點計時器、調速電機，將激光打在振動鏡上，激光經(jīng)振動鏡面反射后又打向旋轉六棱鏡，再經(jīng)旋轉六棱鏡反射后最后打在觀察屏上，調好振動鏡的位置使激光經(jīng)振動鏡(六棱鏡不旋轉)反射后光點沿豎直方向上下振動。在振動鏡前方的光路中安放旋轉六棱鏡，調好旋轉六棱鏡的安裝位置，使旋轉鏡轉動時(振動鏡不振動)屏上的光點沿水平方向往復運動。演示時，首先觀察振動鏡單獨振動時的情況，再觀察旋轉鏡單獨旋轉時的情況，最后觀察兩者一起運動的情況。當垂直方向的振動和水平方向的往復運動同時進行時通過激光合成可在豎直光屏上觀察到光點的振動被展開成一條正弦(或余弦)曲線的全過程，波形顯示原理如圖2所示。調節(jié)電磁打點計時器的振動強度可改變正弦(或余弦)曲線的振幅，調節(jié)電機的轉速可改變所演示正弦(或余弦)曲線的周期，進而改變波形形狀。

4新裝置的優(yōu)點

(1) 儀器結構緊湊，用激光演示現(xiàn)象明顯，可視度大，白天演示效果也很清晰，能激發(fā)學生的好奇心。

(2) 可以觀察到光點的振動被展開成一條正弦(或余弦)曲線的全過程，從而加深對振動圖像的理解。

(3) 由于光源采用了光線性能較好的半導體激光器，加之垂直屏顯示，所以可見度較大，便于觀察，演示效果較好。

(4) 儀器構思巧妙，操作方便，演示效果好對開發(fā)學生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學生工程意識有幫助。

激光掃描法簡諧振動圖像演示儀實物圖見圖3。

5結論

改進后的簡諧振動圖像演示儀一方面加強了創(chuàng)新實驗教學的效果，另一方面通過演示學生對簡諧振動正弦(或余弦)曲線形成理解容易，記憶深刻。實驗操作簡單，演示效果明顯，既可以幫助師生自己動手制作教具，又可以讓學生明白學習不僅是學習書本知識，更重要的是學會思考和創(chuàng)新，把理論知識和生活緊密聯(lián)系起來。

參考文獻：

[1]鄭澤龍.用示波器顯示氣墊彈簧振子的運動圖像[J].教學儀器與實驗，2000，16(9):10-11.

[2]閆娜，鄧放明，熊舉峰.自制振動合成演示儀[J].湖南中學物理，2015(5):42-43.

[3]江昭，徐文娟，魏江.基于Unity 3D模擬振動和波[J].大學物理實驗，2015，28(5)：113-117.

[4]李白宏，強蕊.用波爾共振儀研究混沌現(xiàn)象[J].大學物理實驗，2016，29(2)：17-20.

Demonstrate Harmonic Vibration Image by Using the Laser Scanning Method

XIAO Gui-bin，DAI Wei，DUAN Cheng-liang，LI Qin，TANG Tin

(China West Normal University,Sichuan Nanchong 637002)

Key words：laser；harmonic vibration；sine curve

Abstract：A device was designed to overcome the shortages of the experiment to explore the image of harmonic vibration.The device used semiconductor laser as light source.By synthesizing the harmonic vibration in the vertical direction and the reciprocating motion in the horizontal direction,the image of harmonic vibration was obtained.By observing the whole process of sine (or cosine) curve after the light vibration unfolded on the screen,the students can understand the principle of harmonic vibration better.

收稿日期：2015-12-10

基金項目：四川省研究生教育改革創(chuàng)新項目(445001)

文章編號：1007-2934(2016)03-0044-03

中圖分類號：G 633.7

文獻標志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.013