肖貴臏，代　偉，段晨靚，李　青，湯　廷

(西華師范大學(xué)，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(dòng)圖像

肖貴臏，代偉*，段晨靚，李青，湯廷

(西華師范大學(xué)，四川 南充637002)

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)探究簡諧振動(dòng)圖像的實(shí)驗(yàn)存在的不足，重新設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置利用半導(dǎo)體激光為光源，巧妙地將豎直方向的簡諧振動(dòng)和水平方的往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行合成得到了簡諧振動(dòng)圖像。通過觀察屏幕上光點(diǎn)振動(dòng)展開后形成的正弦(或余弦)曲線的全過程，可方便學(xué)生更好地理解簡諧振動(dòng)圖像的形成原理。

關(guān)鍵詞：激光；簡諧振動(dòng)；正弦曲線

在現(xiàn)行高中物理演示實(shí)驗(yàn)裝置中，尤其是力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置中，經(jīng)常要演示物體做簡諧振動(dòng)的振動(dòng)過程和振動(dòng)曲線簡諧振動(dòng)作為最基本的振動(dòng)，許多實(shí)際的周期振動(dòng)雖然不是簡諧振動(dòng)但可以看成多個(gè)簡諧振動(dòng)合成的結(jié)果。因此，熟悉簡諧振動(dòng)的規(guī)律，研究簡諧振動(dòng)的合成對(duì)理解機(jī)械振動(dòng)、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(shí)驗(yàn)儀器應(yīng)具備如下優(yōu)點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)裝置簡單、方便、易于操作；實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確；實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯可視度大，能激發(fā)學(xué)生的好奇心求知欲；實(shí)驗(yàn)具有拓展性、能啟迪學(xué)生思維、引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新、糾正知識(shí)理解困惑、擴(kuò)展學(xué)生視野。新設(shè)計(jì)的簡諧振動(dòng)圖像演示儀利用激光器、振動(dòng)鏡、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、調(diào)速電機(jī)、六棱形旋轉(zhuǎn)鏡、垂直光屏演示儀設(shè)計(jì)巧妙，可操作性強(qiáng)，演示效果好，能對(duì)簡諧振動(dòng)進(jìn)行很好的合成和演示。

1現(xiàn)有簡諧振動(dòng)圖像演示儀存在的不足

目前演示物體做簡諧振動(dòng)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(dòng)沙漏來近似演示簡諧振動(dòng)的圖像，用沙擺演示簡諧振動(dòng)存在許多不足：①實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)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(shí)下降，使擺線變長；③手拉動(dòng)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(xué)生面前，即可見度和觀察效果不好；⑤實(shí)驗(yàn)器材零散，不利于來回搬動(dòng)。⑥實(shí)驗(yàn)不具有拓展性，不具備一物多用，節(jié)約資金的優(yōu)點(diǎn)。參考文獻(xiàn)[1]中作者將機(jī)械振動(dòng)的位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)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(dòng)圖像，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，演示所用的器材較多，波形顯示原理學(xué)生不易理解。參考文獻(xiàn)[2]中介紹的儀器本身也具有不足之處：如用鋼尺帶動(dòng)鏡片做簡諧振動(dòng)不能克服阻尼的影響。

2新設(shè)計(jì)的激光掃描法簡諧振動(dòng)圖像演示儀

新設(shè)計(jì)的多功能簡諧振動(dòng)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(diào)速電機(jī)(可在0～100轉(zhuǎn)/分的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié))。旋轉(zhuǎn)六棱鏡安裝在調(diào)速電機(jī)上與電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)。激光器的右后方安裝電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，振動(dòng)鏡是由一小塊平面鏡與電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)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(diào)速電機(jī)，電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的控制元件全部安裝在控制箱內(nèi)。

3實(shí)驗(yàn)方法

接通激光器、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、調(diào)速電機(jī)，將激光打在振動(dòng)鏡上，激光經(jīng)振動(dòng)鏡面反射后又打向旋轉(zhuǎn)六棱鏡，再經(jīng)旋轉(zhuǎn)六棱鏡反射后最后打在觀察屏上，調(diào)好振動(dòng)鏡的位置使激光經(jīng)振動(dòng)鏡(六棱鏡不旋轉(zhuǎn))反射后光點(diǎn)沿豎直方向上下振動(dòng)。在振動(dòng)鏡前方的光路中安放旋轉(zhuǎn)六棱鏡，調(diào)好旋轉(zhuǎn)六棱鏡的安裝位置，使旋轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)(振動(dòng)鏡不振動(dòng))屏上的光點(diǎn)沿水平方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。演示時(shí)，首先觀察振動(dòng)鏡單獨(dú)振動(dòng)時(shí)的情況，再觀察旋轉(zhuǎn)鏡單獨(dú)旋轉(zhuǎn)時(shí)的情況，最后觀察兩者一起運(yùn)動(dòng)的情況。當(dāng)垂直方向的振動(dòng)和水平方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)同時(shí)進(jìn)行時(shí)通過激光合成可在豎直光屏上觀察到光點(diǎn)的振動(dòng)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(diào)節(jié)電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的振動(dòng)強(qiáng)度可改變正弦(或余弦)曲線的振幅，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可改變所演示正弦(或余弦)曲線的周期，進(jìn)而改變波形形狀。

4新裝置的優(yōu)點(diǎn)

(1) 儀器結(jié)構(gòu)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(xué)生的好奇心。

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

(3) 由于光源采用了光線性能較好的半導(dǎo)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(gòu)思巧妙，操作方便，演示效果好對(duì)開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)有幫助。

激光掃描法簡諧振動(dòng)圖像演示儀實(shí)物圖見圖3。

5結(jié)論

改進(jìn)后的簡諧振動(dòng)圖像演示儀一方面加強(qiáng)了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，另一方面通過演示學(xué)生對(duì)簡諧振動(dòng)正弦(或余弦)曲線形成理解容易，記憶深刻。實(shí)驗(yàn)操作簡單，演示效果明顯，既可以幫助師生自己動(dòng)手制作教具，又可以讓學(xué)生明白學(xué)習(xí)不僅是學(xué)習(xí)書本知識(shí)，更重要的是學(xué)會(huì)思考和創(chuàng)新，把理論知識(shí)和生活緊密聯(lián)系起來。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭澤龍.用示波器顯示氣墊彈簧振子的運(yùn)動(dòng)圖像[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2000，16(9):10-11.

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

[3]江昭，徐文娟，魏江.基于Unity 3D模擬振動(dòng)和波[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2015，28(5)：113-117.

[4]李白宏，強(qiáng)蕊.用波爾共振儀研究混沌現(xiàn)象[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，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(xiàng)目：四川省研究生教育改革創(chuàng)新項(xiàng)目(445001)

文章編號(hào)：1007-2934(2016)03-0044-03

中圖分類號(hào)：G 633.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.013