自制描述简谐运动轨迹实验的设计方案

自制描述简谐运动轨迹实验的设计方案

苏进高

（楚雄师范学院物理与电子科学系云南675000）

摘要：针对《大学物理实验》教材版中的简谐运动的实验的不足，对该实验进行了改进，改进后的实验装

置在弹簧振子两端加2个滑环，以防止弹簧振子在振动过程中旋转，且可以减小摩擦，同时又用磁性笔代替绘

图笔，由慢速电机牵引磁性黑板，以实现描述弹簧振子的运动轨迹的目的。

关键词：简谐运动，运动轨迹，弹簧振子。

中图分类号：文献标识码：文章编号：

Improvement on the experiment of

Describing the motion track of simple harmonic

Su Jingao

(Department of Physics and Electronic Science ChuXiong Normal University) Abstract: aiming at the deficiency of simple harmonic motion in materials, author puts forward source measures to improve the experiment of simple harmonic motion the improved device uses two

slip rings on the ends of spring vibrator and to slip rings are drilled through by wire, in order to avoid spring vibrator circumvolution during the vibration process and decrease friction, then the author uses magnetic pen instead of drawing, and uses electromotor to slowly pull the magnetic blackboard ,in order to distinctly describe motion track.

Key words: simple harmonic motion; motion track; spring vibrator

1．引言

（1）在大学物理实验中，使用气垫导轨来描述简谐运动，由于空气摩擦和人的反映需要一

定的时间，因此常常会产生很大的误差，为解决上述问题，笔者在做实验过程中，对该实验做

了一些改进利用生活中常用的器材，是实验变得更直观，更具可操作性。

2．实验中的主要问题

（1）竖直方向上的弹簧振子在振动过程中，由于受到空气阻力及固定时受到一定的扭转力

矩作用，弹簧振子在振动过程中会不停的旋转，弹簧振子的旋转导致在安装在小球上的绘图笔

无法画出理想的图象。

（2）绘图笔与纸带间存在摩擦，会影响竖直方向上弹簧振子的振动，若绘图笔与纸带间的

距离太远，，不易画出弹簧振子振动的轨迹，若距离太进，摩擦力又太大，使弹簧振子振动周期

发生变化。

（3）纸带在运动过程中很难保证做匀速直线运动，即使能够做匀速直线运动，也很难保证

速度大小合适，使竖直方向上的弹簧振子在纸带上留下的轨迹不够理想。

3．解决方案

在弹簧振子两端加两滑环，用两铁丝穿过滑环，这样做既防止弹簧振子在振动过程中不停旋

转，又最大限度的减小摩擦力对弹簧振子振动的影响，为减小绘图笔与纸带存在的摩擦对弹簧

振子的影响，将磁性笔固定在弹簧振子上，磁性笔和磁性黑板间存在的吸引力可在靠近而不接

触磁性黑板的情况下就能画出弹簧振子的运动轨迹，为保证匀速运动，可采用由慢速电机（转

速可调）牵引磁性黑板滑动的办法。

4．实验器材制作与准备

器材：慢速电机，自制水平铝合金支架，凹槽滑轨，木版，弹性系数小的弹簧，小铁球，细直铁丝（2根），儿童用磁性黑板，磁性笔，自制滑环（2个），自制滑快，万能胶。

（1）铝合金框架的制作，用两细铁管支柱和铝合金框架，如图示。

（2）小滑块的制作。选取劲度系数小且很细（1-2mm）的弹簧，从弹簧的一端截取3-4圈作为一个小圆环。

（3）弹簧振子的制作。预先调好万能胶，将制作好的2个小滑环粘在小刚球的两彻，粘时应注意使2个小滑环尽量处在同一直径两端，且使滑环孔竖直向上；选用磁性较强的磁性笔，粘在小刚球另一侧中兴处，如图所示，最后将选取的劲度系数小的弹簧粘在小刚球的最上端，这样弹簧振子就做好了。

（4）滑块的制作。取2根细直铁丝穿过制作好的弹簧振子两侧的滑环中，依据铝合金框架的高度截取铁丝长度，使其与铝合金框架的高度相等，这样就可以确定弹簧

振子中弹簧自由端与两铁丝的上端间的距离。取2块薄金属片，依据弹簧自由端

与两铁丝的上端间的距离，在其中任一金属片上打三个孔，如图2所示，这样上

滑块就制作好了；而后再依据两铁丝下端间距离，在另一金属片上打二个小孔，

这样下滑块就制作好了，如图2-（b）所示。

（5）实验器材的装备。将制作好的弹簧振子和穿过两滑环的铁丝分别固定在上下滑快上，再将两滑快分别固定在铝合金框架的上下表面，注意，固定时应使两铁丝尽

量保持竖直状态且铁丝与滑环间的摩擦尽量减小，将两凹槽滑轨（如图3所示）

分别用螺丝固定在铝合金框架的上面和下面，注意固定时应尽量使两滑轨正对，

将上面和下面分别装有2个滑轮的磁性黑板放入两滑轨中，用手轻推，以磁性黑

板能够滑动较远距离为好，将慢速电动机固定在铝合金框架的右下端，使电机轴

线与固定在磁性黑板下方的挂钩在同一水平上，然后用细绳通过电机轴和挂钩绕

在一起，装备好的实验器材平视图和侧面图，如图4所示

注意事项：该实验装置在配置过程中，穿过两滑环的铁丝是否竖直，，是否与两滑环间的的摩擦足够小是制约本实验是否成功的重要因素之一，因此在装配过程中

应尽量精确确定滑块上几个小孔的位置；其次磁性笔与磁性黑板间的距离远

近直接制约实验效果的好坏，具体在调节时应反复仔细调节两滑块的位置，

使磁性笔与磁性黑板间的距离恰好适宜。