张 珣 吴先球,2

(1. 华南师范大学物理与电信工程学院，广东 广州 510006; 2. 华南师范大学物理国家级实验教学示范中心,广东 广州 510006)

简谐运动的振动图像及其描述是高中物理教学中机械振动的重要内容.在2017年颁布的《普通高中物理课程标准》中,关于简谐运动的课程内容要求为:“通过实验,认识简谐运动的特征.能用公式和图像描述简谐运动.”[1]在实际教学中,由于振动图像实验的限制和描述简谐运动的物理量的抽象性,学生往往难以从图像和数学的角度描述和理解简谐运动.[2]

本文将数据采集和虚拟仪器技术应用于简谐运动图像的实验,对振动图像的测量方案进行改进,提高了测量效率.以两个单摆为实验对象,实现了两个单摆的实际振动情况和振动图像的同时展示,直观地体现简谐运动中的振幅、周期和频率、相位等概念,使学生从公式和图像的角度认识和描述简谐运动,提高教学效率.同时,结合得到的振动图像,对简谐运动的叠加规律进行了图像上的简单展示.

1 实验原理和装置设计

1.1 简谐运动图像的绘制

实验以单摆为对象,对其振动进行分析.当单摆的摆角θ≤5°时,其振动可视为简谐运动.此时单摆的振动图像为正弦曲线,具有周期性.[3]

实验装置原理图如图1(a)中所示.在塑料水槽中注入一定深度的自来水.将两薄铜片分别固定在水槽两端,作为电极A和电极C,在A、C两端加上10 V的电压,此时水中形成近似的均匀电场.[4]在水槽正中间处固……