王 震 孫奕瑩

(遼寧師范大學(xué)物理與電子技術(shù)學(xué)院,遼寧 大連 116029)

改進共振實驗演示儀,理解外力作用下的振動

王 震 孫奕瑩

(遼寧師范大學(xué)物理與電子技術(shù)學(xué)院,遼寧 大連 116029)

本文對人教版高中物理內(nèi)容“外力作用下的振動”中的演示實驗裝置進行了分析,并改進和制作了共振實驗演示儀,使得學(xué)生能更加直觀地感受受迫振動頻率與驅(qū)動力頻率和固有頻率的關(guān)系,加深對共振實驗的理解．

共振實驗演示儀;受迫振動;頻率;共振

人教版高中物理選修3-4中“外力作用下的振動”介紹了受迫振動、共振的相關(guān)知識．教材內(nèi)容提供了與振動相關(guān)的兩個演示實驗裝置,幫助學(xué)生理解物理概念,但是這兩個實驗裝置在進行操作和實驗結(jié)論得出的過程中存在一些不足之處．筆者對原有裝置進行了改進,制作了“共振實驗演示儀”,使之更具有可操作性,有利于學(xué)生得出實驗結(jié)論．

圖1 受迫振動演示裝置

1 教材中的實驗裝置

(1) “探究受迫振動頻率與驅(qū)動力頻率和固有頻率的關(guān)系”演示裝置.

人教版教材中提供了用來探究受迫振動頻率與驅(qū)動力頻率和固有頻率關(guān)系的實驗裝置(圖1)．該裝置通過轉(zhuǎn)速可變的電動機向彈簧——小球系統(tǒng)施加周期性驅(qū)動力,改變電動機轉(zhuǎn)速,使小球在不同頻率的驅(qū)動力下做受迫振動．實驗要求記錄驅(qū)動力頻率和小球振動的頻率,比較得出物體做受迫振動時的頻率與驅(qū)動力頻率相等的結(jié)論．

該實驗儀器存在幾點不足:電動機的頻率未知,測量困難,實驗中無法記錄;實驗開始時,啟動電動機,小球做受迫振動,但振動不穩(wěn)定,頻率不斷改變,只有當(dāng)小球發(fā)生共振時,振動才比較穩(wěn)定;改變電動機轉(zhuǎn)速,小球振動的頻率很難在短時間內(nèi)同步,測量誤差較大,且比較費時．

(2) “探究受迫振動的振幅與固有頻率的關(guān)系和共振實驗”演示裝置.

教材中提供了用來探究受迫振動的振幅與固有頻率關(guān)系的實驗裝置和共振實驗演示裝置(圖2)．給A擺一個力使A擺振動,同時該力通過繩子也為其他擺提供了驅(qū)動力,擺做受迫振動．學(xué)生會觀察到與A擺擺長相同的B擺和C擺由于固有頻率與A擺相同,發(fā)生共振,振幅最大,其他擺振幅較小．

圖2 共振實驗演示裝置

該演示實驗裝置同樣存在幾點不足: ① 當(dāng)驅(qū)動擺A開始振動時,與A臨近的兩個從動擺D、E振動最為明顯,振幅明顯大于距離A擺較遠的、與A擺擺長相同的B擺和C擺的振幅．當(dāng)B擺和C擺的振幅逐漸增大時,又發(fā)現(xiàn)A擺的振幅卻逐漸減小,一段時間后A擺的振幅逐漸增大,而B擺和C擺的振幅逐漸減小,直至停止振動．因此在教學(xué)演示中釋放A擺較長時間才可以看到B擺、C擺的振幅最大,E擺振幅最小的現(xiàn)象,隨后各個擺的狀態(tài)又要發(fā)生變化,學(xué)生對實驗現(xiàn)象的理解愈加困難．尤其當(dāng)A擺剛開始擺動時,學(xué)生較難理解D擺和E擺出現(xiàn)振幅最大的現(xiàn)象.② 橫梁繩子的松緊程度對實驗有一定的影響,影響驅(qū)動擺提供能量的傳遞速度．張緊繩子,能量在繩中傳遞較慢,需要較長時間才能看到實驗現(xiàn)象．若將繩子適當(dāng)放松,能量在繩中傳遞的速度較張緊時快,會縮短實驗時間,實驗中調(diào)節(jié)繩子的松緊程度就顯得尤為重要.③ 該裝置實際上屬于一種耦合擺裝置而非共振裝置,耦合擺與共振裝置有本質(zhì)的區(qū)別．共振裝置的驅(qū)動源能量和傳給受迫振動部分的能量相比足夠大,即驅(qū)動源可視為能量庫．耦合擺則不同,耦合擺的驅(qū)動擺能量有限,當(dāng)滿足理想耦合條件時,驅(qū)動擺的能量可以全部傳給受迫振動部分,能量在驅(qū)動擺與受迫振動部分之間來回傳遞,造成各個擺在振動時互相干擾,影響實驗現(xiàn)象的觀察效果．2 實驗裝置的設(shè)計與制作

針對教材中實驗裝置存在的不足,我們對實驗儀器進行了改進,制作了共振實驗演示儀(圖3)．主要組成部分有橫梁、驅(qū)動擺、從動擺、支架,尺寸單位為mm．

(1) 裝置結(jié)構(gòu)機械圖.

(2) 需要的材料.

實心銅球1個(直徑0.05m)、質(zhì)量和形狀相同的空心銅球5個(直徑0.02m)、實心不銹鋼條1根(直徑0.01m,長度1m)、廢舊收音機天線1根、滾動軸承2個(內(nèi)徑0.01m)、帶槽鋁合金條5根、直角連接件4個、輕質(zhì)細線若干米、螺絲若干個．

圖3 共振實驗演示結(jié)構(gòu)機械圖

(3) 裝置結(jié)構(gòu)介紹.

橫梁:材料選用直徑0.01m,長度1m的實心不銹鋼條,用來懸掛各個從動擺,不銹鋼條兩端穿過固定在豎直支架上的滾動軸承(內(nèi)徑等于鋼條直徑)．

驅(qū)動擺:驅(qū)動擺的擺球(直徑0.05m)選擇質(zhì)量比較大的實心銅球,與可伸縮的廢舊收音機天線頂端焊接固定組成驅(qū)動擺,利用伸縮天線可以改變驅(qū)動擺擺長;橫梁上做出與收音機天線尾端螺絲尺寸相符的內(nèi)螺紋,將驅(qū)動擺與橫梁連接并固定,驅(qū)動擺可以對橫梁產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)力矩．

支架:底部采用3根帶槽鋁合金條,用直角連接件固定成“工”字底座,保證了裝置的穩(wěn)定性,又可輕松拆卸,攜帶方便．

3 原理分析

圖4

4 共振實驗演示儀在教學(xué)中的演示

(1) 探究做受迫振動的物體振動的頻率與驅(qū)動力頻率和固有頻率的關(guān)系.

調(diào)整驅(qū)動擺擺長,拉開一定角度后釋放,驅(qū)動擺帶動橫梁來回轉(zhuǎn)動為從動擺提供驅(qū)動力,各從動擺在驅(qū)動力的作用下做受迫振動,觀察從動擺的振動情況,可觀察到驅(qū)動擺與各從動擺振動的頻率相同．

再改變驅(qū)動擺的擺長,即改變了驅(qū)動力的頻率,觀察到各從動擺與驅(qū)動擺擺動的頻率依然相同,可得出結(jié)論,即f受迫=f驅(qū)，與f固無關(guān).

(2) 演示共振現(xiàn)象.

拉伸或收縮天線,改變驅(qū)動擺擺長,使之不等于任意一個從動擺的擺長,拉開驅(qū)動擺一定角度釋放．發(fā)現(xiàn)擺長最接近驅(qū)動擺的兩個從動擺振幅大于其他從動擺振幅,其中擺長更接近驅(qū)動擺的從動擺振幅略大于另一個,可說明當(dāng)f驅(qū)≠f固時,二者越接近,做受迫振動物體的振幅越大;當(dāng)驅(qū)動擺擺長等于某一個從動擺擺長時(即f驅(qū)=f固),將驅(qū)動擺拉開一定角度釋放．發(fā)現(xiàn)與驅(qū)動擺擺長相等的從動擺振幅最大,明顯大于其他從動擺振幅,說明當(dāng)f固=f驅(qū)時物體的振幅最大,此時發(fā)生的就是共振現(xiàn)象．

5 實驗裝置的主要優(yōu)點

(1) 采用收音機天線作為驅(qū)動擺的擺線.

收音機天線質(zhì)量輕,又可收縮,方便改變擺長從而改變驅(qū)動力的頻率．

(2) 驅(qū)動擺擺球質(zhì)量大于各從動擺擺球質(zhì)量.

驅(qū)動擺擺球質(zhì)量大于各從動擺擺球質(zhì)量,即驅(qū)動源能量大于傳給受迫振動部分的能量,克服了教材中耦合擺裝置能量傳遞的問題．利用鋼橫梁代替繩子橫梁,基本上消除了幾個擺之間互相耦合而產(chǎn)生的從動擺振幅先變大后變小的影響,能量幾乎不會在幾個擺之間來回傳遞,共振擺的振幅在一開始就會明顯大于其他從動擺的振幅,實驗現(xiàn)象明顯．

(3) 裝置的多種用途.

改進后的實驗裝置能同時演示多個物理現(xiàn)象,充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,有利于教師開展探究性教學(xué)．

共振實驗演示儀可以較好地完成“外力作用下的振動”這一節(jié)課所需要的演示實驗,實驗現(xiàn)象明顯,演示效果清晰明了,把抽象的物理概念生動形象地展示在學(xué)生面前,更有效地加深了學(xué)生對物理知識的學(xué)習(xí)與理解,同時實驗儀器制作簡單,美觀、耐用,且易拆卸．

1 朱行建,郭懷中.共振演示實驗的紕繆與裝置的改進[J]. 物理實驗, 2007, 27(7):24-26.

2 單曉峰.關(guān)于受迫振動、共振的實驗研究[J]. 物理實驗, 2006, 26(8):24-26.

3 吳蘭紅.“外力作用下的振動”教學(xué)設(shè)計與思考[J]. 中學(xué)物理教學(xué)參考, 2009(12):7-8.

4 曾憲桂.充分挖掘?qū)嶒炈夭?實現(xiàn)探究教學(xué)目標(biāo)——以“外力作用下的振動”難點突破的探究為例[J]. 中學(xué)物理教學(xué)參考, 2015(7):29-30.

5 華玉梅，李林.受迫振動與共振實驗演示裝置的創(chuàng)新設(shè)計[J].物理教師，2012(12)：41-42.

6 邢紅軍，陳清梅.一個妙趣橫生的共振演示實驗設(shè)計[J].物理教師，2001(11)：25.

2016-10-12)