利用光变材料自制简谐运动演示仪

摘要

在高中物理实验中，能演示简谐运动振动曲线的实验仪器在操作上存在诸多不便。针对传统简谐振动图象演示仪存在的不足，利用激光笔和光变材制作一种新型可描迹的教学演示仪，可简单直观地描绘出单摆和弹簧振子运动时的振动曲线，并能通过数据处理证明其为正弦曲线。此外，该演示仪还可演示阻尼运动的振动曲线，其设计简洁、操作方便、可重复利用，实验效果良好，能提高教师的授课效率。

Graphical abstract

关键词

简谐运动 / 振动图象 / 光变材料 / 单摆 / 阻尼振动 / 演示仪

实验是物理教学的重要环节，一个简洁、直观、美观的演示实验不仅能帮助教师推进教学过程、保证教学效果，还能帮助学生深入理解实验原理，让学生越琢磨越有滋味，形成深刻的印象。在高中物理教学中，简谐运动是最基本的振动，对理解机械振动、光波和声波的干涉与衍射等现象都有重要意义，在该部分的课堂教学中，经常要演示物体做简谐运动的振动过程并描绘振动曲线。因此，对于该部分教学，有一个能展现简谐运动过程、描绘其振动曲线的实验演示仪是非常重要的。

１ 现有简谐运动演示仪的不足

演示物体做简谐运动的仪器较多，最常见的简谐运动演示仪为沙摆、墨摆。例如，在鲁科版物理选修3-4中，教材中的演示实验是在装有细沙的漏斗来回振动时，匀速拉漏斗下方的木板，让漏出的细沙在木板上形成曲线，从而定性分析简谐运动的图象，但是该实验随着沙子的漏出，沙摆的重心、摆长都在不断地发生变化，在实际操作中存在漏沙不均匀、摆动角度不宜过大、运行不稳定、容易变成“圆锥摆”等问题，且绘制出的图象不能拿起向全体学生展示。人教版物理选择性必修一^［1］使用墨摆演示，与鲁科版教材中的方法类似，同样是用拉动下方记录纸的方法令墨摆留下痕迹，该实验好在可以将记录纸拿起向学生进行展示，但在实际操作中却存在墨汁飞溅、清洁困难、描绘图线不流畅等问题。

2 新型简谐运动演示仪的结构

为了克服以上不足，笔者制作了一种新型简谐运动演示仪，利用激光笔与光变材料制作的传送带制成，可实时绘制激光笔的振动图象。该仪器的结构如图1所示，由激光笔、细绳、可调速光变材料传送带、铁架台、铅坠等组成，需要接入220 V交流电源。

其中光变材料有如下特性：使用激光笔照射材料，所照射部位会发生明显的变色痕迹，所留痕迹在2 min左右完全消失，痕迹消失后，可重复进行实验。光变材料传送带由电机驱动，可调速范围在3～8 cm/s。打开电机开关，即可通过转动旋钮对传送带进行速度调节。

3 新型简谐运动演示仪的应用

打开并拉动激光笔，使其摆动，待其摆动相对稳定后，打开电源，开启传送带，调节至合适的速度即可进行实验演示，该演示仪可演示的内容如下。

（1） 单摆的阻尼振动图象，如图2所示；单摆的简谐运动图象如图3所示。

（2） 通过增加铅坠数量来改变摆的质量，证明单摆的周期与质量无关；通过改变细绳的长度，定性研究周期与摆长的关系。

（3） 可改变传送带速度，实时显示传送带速度不同时单摆的振动图象，如图4所示。

（4） 结合Tracker软件处理，可分析得出单摆的振动图象是一条正弦曲线，如图5所示。

（5） 将激光笔与支架替换成气垫导轨及弹簧振子，利用转向装置夹住激光笔，可演示弹簧振子的简谐运动，如图6所示。

4 新型简谐运动演示仪的优点

（1） 利用激光笔与变色材料传送带实时绘制图象，和以往的沙漏、滴墨等实验方式相比，不会导致摆的质量发生变化。

（2） 传送带速度可调，可帮助学生正确理解简谐运动的位移-时间图象。

（3） 传送带上的轨迹在绘制完会逐渐变浅，约2 min后消失，不会对光变材料本身的变色性能造成任何影响，实验的可重复性高，环保、不浪费纸张。

（4） 该器材摆动稳定、图象清晰，演示效果好。

（5） 实验操作、数据处理简洁明了，可视性强。

5 结语

该简谐运动演示仪提高了实验教学的演示效果，学生能直观地看到简谐运动的过程及振动曲线，实验的呈现方式简洁明了，令学生印象深刻。课堂中能直接利用Tracker软件对实验视频进行处理，证明其振动曲线为正弦曲线，极大提高了简谐运动的教学效率和阻尼运动的展示效果。此外，该教具提供了一种新型描迹方式，即激光笔结合光变材料的描迹方式。该方法可应用的范围广泛，可拓展至曲线运动、圆周运动等图形的描迹^［2］。下一步将继续开发此教具，使其描绘出更多运动的轨迹。

参考文献

[1] 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书物理选择性必修第一册［M］.北京：人民教育出版社，2020.

[2] 吴晓天，张玉峰.关于离心、近心运动的创新实验设计与应 用［J］.中学物理教学参考，2024（25）：63-65.